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    2017年諾貝爾化學(xué)獎揭曉 冷凍電鏡技術(shù)摘得桂冠

    [2017/10/9]

        2017年諾貝爾化學(xué)獎揭曉,冷凍電鏡技術(shù)摘得了桂冠,2017年諾貝爾化學(xué)獎授予三位冷凍電鏡領(lǐng)域的學(xué)者。這三位學(xué)者分別是德裔生物物理學(xué)家約阿基姆·弗蘭克(Joachim Frank),現為哥倫比亞大學(xué)教授;蘇格蘭分子生物學(xué)家和生物物理學(xué)家理查德·亨德森(Richard Henderson);瑞士洛桑大學(xué)生物物理學(xué)榮譽(yù)教授雅克·迪波什(Jacques Dubochet)。
     
      北京時(shí)間10月4日下午5點(diǎn)45分,2017年諾貝爾化學(xué)獎揭曉,Jacques Dubochet, Joachim Frank和Richard Henderson獲獎,獲獎理由是“研發(fā)出冷凍電鏡,用于溶液中生物分子結構的高分辨率測定”。
     

    2017年諾貝爾化學(xué)獎授予三位冷凍電鏡領(lǐng)域的學(xué)者
     
      獲獎人簡(jiǎn)介
     
      約阿基姆·弗蘭克(Joachim Frank)
     
      德裔生物物理學(xué)家,現為哥倫比亞大學(xué)教授。他因發(fā)明單粒子冷凍電鏡(cryo-electron microscopy)而聞名,此外他對細菌和真核生物的核糖體結構和功能研究做出重要貢獻。弗蘭克2006年入選為美國藝術(shù)與科學(xué)、美國國家科學(xué)院兩院院士。2014年獲得本杰明·富蘭克林生命科學(xué)獎。
     
      理查德·亨德森(Richard Henderson)
     
      蘇格蘭分子生物學(xué)家和生物物理學(xué)家,他是電子顯微鏡領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )者之一。1975年,他與Nigel Unwin通過(guò)電子顯微鏡研究膜蛋白、細菌視紫紅質(zhì),并由此揭示出膜蛋白具有良好的機構,可以發(fā)生α-螺旋。近年來(lái),亨德森將注意力集中在單粒子電子顯微鏡上,即用冷凍電鏡確定蛋白質(zhì)的原子分辨率模型。
     
      雅克·迪波什(Jacques Dubochet)
     
      Jacques Dubochet, 1942年生于瑞士,1973年博士畢業(yè)于日內瓦大學(xué)和瑞士巴塞爾大學(xué),瑞士洛桑大學(xué)生物物理學(xué)榮譽(yù)教授。Dubochet 博士領(lǐng)導的小組開(kāi)發(fā)出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術(shù)制作不形成冰晶體的玻璃態(tài)冰包埋樣品,隨著(zhù)冷臺技術(shù)的開(kāi)發(fā),冷凍電鏡技術(shù)正式推廣開(kāi)來(lái)。
     
      冷凍電鏡技術(shù)為何摘得2017年的諾貝爾化學(xué)獎
     
      2013年,冷凍電鏡技術(shù)的突破給結構生物學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)完美的風(fēng)暴,迅速席卷了結構生物學(xué)領(lǐng)域,傳統X射線(xiàn)、傳統晶體學(xué)長(cháng)期無(wú)法解決的許多重要大型復合體及膜蛋白的原子分辨率結構,一個(gè)個(gè)被迅速解決,紛紛強勢占領(lǐng)頂級期刊和各大媒體版面,比如程亦凡博士、施一公博士、楊茂君博士、柳正峰博士所解析的原子分辨率重要復合體結構,震驚世界。
     
      這場(chǎng)冷凍電鏡革命的特點(diǎn)是:不需要結晶且需要樣品量極少,即可迅速解析大型蛋白復合體原子分辨率三維結構。這場(chǎng)電子顯微學(xué)分辨率革命的突破有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):直接電子相機(其中算法方面程亦凡博士和李雪明博士有重要貢獻)和三維重構軟件。
     
      引領(lǐng)這些技術(shù)突破的背后離不開(kāi)三位冷凍電鏡領(lǐng)域的開(kāi)拓者:理查德·亨德森(Richard Henderson)、約阿希姆·弗蘭克(Joachim Frank)和 Jacques Dubochet分別在基本理論、重構算法和實(shí)驗方面的早期重要貢獻。
     
      我本人與這三位科學(xué)家都有曾過(guò)面對面的交流,也是讀他們的文章進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的,下面簡(jiǎn)要談?wù)勊麄兊呢暙I。
     
      電子顯微鏡于1931年發(fā)明,但在生物學(xué)領(lǐng)域的應用滯后于材料科學(xué),原因在于生物樣品含水分才會(huì )穩定,而電子顯微鏡必須在高真空下才能工作,因此如何制作高分辨率生物電鏡樣品是個(gè)技術(shù)瓶頸。傳統的重金屬負染技術(shù),可以讓重金屬包被蛋白表面,然后脫水干燥制作適合真空成像的樣品,但這會(huì )導致樣品分辨率降低(至多保存1.5納米)。
     
      1968年,英國劍橋大學(xué)MRC實(shí)驗室的Klug博士和他的學(xué)生DeRosier開(kāi)創(chuàng )了基于負染的噬菌體病毒的電鏡三維重構技術(shù)(Klug 博士獲1982年諾貝爾化學(xué)獎)。但如何保持生物樣品原子分辨率結構又適合電鏡成像呢?加州大學(xué)伯克利分校的Robert Glaeser博士和他學(xué)生Ken Taylor 于1974年首次提出并測試了冷凍含水生物樣品的電鏡成像,可以有效降低輻照損傷對高分辨率結構破壞和維持高真空,實(shí)現高分辨率成像的新思路,這就是冷凍電鏡(CryoEM)的雛形。
     
      1982年,Dubochet 博士領(lǐng)導的小組開(kāi)發(fā)出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術(shù)制作不形成冰晶體的玻璃態(tài)冰包埋樣品,隨著(zhù)冷臺技術(shù)的開(kāi)發(fā),冷凍電鏡技術(shù)正式推廣開(kāi)來(lái)。
     
      在Klug博士提出的三維重構技術(shù)基礎上,MRC實(shí)驗室的Richard Henderson博士(物理學(xué)及X射線(xiàn)晶體學(xué)背景)跟同事Unwin 博士1975年開(kāi)創(chuàng )了二維電子晶體學(xué)三維重構技術(shù),隨后應用該技術(shù)技術(shù)解析了第一個(gè)膜蛋白細菌視覺(jué)紫紅質(zhì)蛋白的三維結構,1990達到3.5埃,這是一個(gè)非常了不起的工作,但是第一個(gè)類(lèi)似的膜蛋白結構的諾貝爾獎還是被X射線(xiàn)晶體學(xué)家米歇爾于1988年奪走了。二維晶體最大問(wèn)題在于很難長(cháng)出二維晶體,因而應用范圍很窄,且容易被X射線(xiàn)晶體學(xué)家搶了飯碗(本人剛入行第一個(gè)薄三維晶體項目就被搶了)。
     
      上世紀90年代,Henderson博士轉向了剛興起的另一項CryoEM三維重構技術(shù),即Joachim Frank 博士發(fā)展的單顆粒分析重構技術(shù),無(wú)需結晶就可以對一系列蛋白或復合體顆粒直接成像,對位平均分類(lèi),然后三維重構。Henderson 博士憑借他深厚的物理學(xué)及電子顯微學(xué)功底,以及非凡的洞察力,提出實(shí)現原子分辨率CryoEM技術(shù)的可行性,在理論上做了一系列超前的預見(jiàn),比如電子束引起的樣品漂移必須解決才能實(shí)現原子分辨率,為后期直接電子相機的突破指明了方向,他本人也投身于直接電子相機的開(kāi)發(fā)。
     
      因此,在這場(chǎng)電鏡分辨率的革命中,Henderson博士是個(gè)不折不扣的發(fā)起者。另外,三維重構新算法的突破也有Henderson 博士的獨具慧眼有關(guān),Sjors Scheres博士在沒(méi)有很強論文情況下被他看中招募到MRC后因為開(kāi)發(fā)經(jīng)典的Relion 三維重構算法大放異彩。
     
      最后,我們再介紹一下發(fā)展冷凍電鏡單顆粒三維重構技術(shù)的Joachim Frank博士,他也是物理學(xué)背景。Frank 博士是單顆粒分析鼻祖,單顆粒三維重構算法及軟件Spider的作者。
     
      Frank 師從德國著(zhù)名的電子顯微學(xué)家Hoppe博士,Hoppe學(xué)派主張對任意形狀樣品直接三維重構,后來(lái)的電子斷層三維重構及cryoEM三維重構技術(shù)都與他的早期思想有關(guān)。Frank博士提出基于各個(gè)分散的全同顆粒(蛋白)的二維投影照片,經(jīng)過(guò)分類(lèi)對位平均,然后三維重構獲得蛋白的三維結構,發(fā)展了一系列算法并編寫(xiě)軟件(SPIDER)實(shí)現無(wú)需結晶的蛋白質(zhì)三維結構解析技術(shù)。尤其在核糖體三維重構方面有一系列的重要開(kāi)創(chuàng )性工作,可惜當年核糖體結構諾貝爾獎沒(méi)有給他,F在給他在cryoEM單顆粒三維重構的一個(gè)諾貝爾獎,實(shí)至名歸。
     
      “不務(wù)正業(yè)”的諾貝爾化學(xué)獎
     
      諾貝爾化學(xué)獎是以瑞典著(zhù)名化學(xué)家、硝化甘油炸藥發(fā)明人阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾的部分遺產(chǎn)作為基金創(chuàng )立的5個(gè)獎項之一,從1901年至2016年,共頒發(fā)了108次,擁有175位獲獎?wù)摺?/span>
     
      2007年-2016年的諾貝爾化學(xué)獎的獲獎情況如下:
     
      2007年:諾貝爾化學(xué)獎授予德國科學(xué)家格哈德·埃特爾,以表彰他在“固體表面化學(xué)過(guò)程”研究中作出的貢獻。
     
      2008年:美國Woods Hole海洋生物學(xué)實(shí)驗室的下村修、哥倫比亞大學(xué)的Martin Chalfie和加州大學(xué)圣地亞哥分校的錢(qián)永健因發(fā)現并發(fā)展了綠色熒光蛋白(GFP)而獲得該獎項。
     
      2009年:英國生物學(xué)家萬(wàn)卡特拉曼·拉瑪克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、美國科學(xué)家托馬斯·斯泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列女生物學(xué)家約納什(Ada E. Yonath)因在核糖體結構和功能研究中的貢獻共同獲該獎。
     
      2010年:美國德拉威爾大學(xué)的Richard F. Heck、普渡大學(xué)的Ei-ichi Negishi以及日本倉敷藝術(shù)科學(xué)大學(xué)的Akira Suzuki,他們發(fā)明了新的連接碳原子的方法,獲得2010年諾貝爾化學(xué)獎。
     
      2011年:以色列科學(xué)家達尼埃爾·謝赫特曼因準晶體的發(fā)現而獲得2011年的諾貝爾化學(xué)獎。
     
      2012年:美國科學(xué)家羅伯特·萊夫科維茨和布萊恩·克比爾卡因“G蛋白偶聯(lián)受體研究”獲諾貝爾化學(xué)獎。
     
      2013年:諾貝爾化學(xué)獎授予美國科學(xué)家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒,以表彰他們在開(kāi)發(fā)多尺度複雜化學(xué)系統模型方面所做的貢獻。
     
      2014年:諾貝爾化學(xué)獎授予了美國科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國科學(xué)家斯特凡·黑爾,以表彰他們?yōu)榘l(fā)展超分辨率熒光顯微鏡所作的貢獻。
     
      2015年:瑞典科學(xué)家托馬斯·林達爾、美國科學(xué)家保羅·莫德里奇和土耳其科學(xué)家阿齊茲·桑賈爾因在DNA修復的細胞機制研究上的貢獻而獲得2015年的諾貝爾化學(xué)獎。
     
      有意思的是,自1901年首次頒獎以來(lái),諾貝爾化學(xué)獎被多次頒發(fā)給生物、生物化學(xué)、生物物理、物理等領(lǐng)域,可謂是“不務(wù)正業(yè)”。據統計,2001年至2016年,在已頒發(fā)的15個(gè)諾貝爾化學(xué)獎中,與生物相關(guān)的化學(xué)獎達10次之多。

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