“他们对冷冻电镜技术的展开做出突出贡献”
获奖人简介 约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank） 德裔生物物理学家，现为哥伦比亚大学教授。他因发明单粒子冷冻电镜（cryo-electron microscopy）而出名，此外他对细菌和真核生物的核糖体结构和功用研讨做出重要贡献。弗兰克2006年入选为美国艺术与科学、美国国度科学院两院院士。2014年取得本杰明·富兰克林生命科学奖。 理查德·亨德森（Richard Henderson） 苏格兰分子生物学家和生物物理学家，他是电子显微镜范畴的开创者之一。1975年，他与Nigel Unwin经过电子显微镜研讨膜蛋白、细菌视紫红质，并由此提示出膜蛋白具有良好的机构，能够发作α-螺旋。近年来，亨德森将留意力集中在单粒子电子显微镜上，即用冷冻电镜肯定蛋白质的原子分辨率模型。 雅克·迪波什（Jacques Dubochet） Jacques Dubochet, 1942年生于瑞士，1973年博士毕业于日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学，瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授。Dubochet 博士指导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制造不构成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推行开来。 事实上，早在2015年《自然》杂志旗下子刊Nature Methods将冷冻电镜技术（cryo-EM）评为年度最受关注的技术，我们约请了剑桥大学MRC分子生物学实验室博士后张凯系统引见冷冻电镜展开，同时也对在这一范畴做得十分出色的华人科学家程亦凡教授中止了专访。 此次冷冻电镜技术取得诺贝尔化学奖实至名归。如下为北京生命科学研讨所研讨员何万中的点评。 冷冻电镜技术为何摘得2017年的诺贝尔化学奖 2013年，冷冻电镜技术的突破给结构生物学范畴带来了一场圆满的风暴，疾速席卷了却构生物学范畴，传统X射线、传统晶体学长期无法处置的许多重要大型复合体及膜蛋白的原子分辨率结构，一个个被疾速处置，纷繁强势占领顶级期刊和各大媒体版面，好比程亦凡博士、施一公博士、杨茂君博士、柳正峰博士所解析的原子分辨率重要复合体结构，震惊世界。 这场冷冻电镜反动的特性是：不需求结晶且需求样品量极少，即可疾速解析大型蛋白复合体原子分辨率三维结构。这场电子显微学分辨率反动的突破有两个关键技术：直接电子相机（其中算法方面程亦凡博士和李雪明博士有重要贡献）和三维重构软件。 引领这些技术突破的背地离不开三位冷冻电镜范畴的开辟者：理查德·亨德森（Richard Henderson）、约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）和 Jacques Dubochet分别在基本理论、重构算法和实验方面的早期重要贡献。 我自己与这三位科学家都有曾过面对面的交流，也是读他们的文章进入这个范畴的，下面扼要谈谈他们的贡献。 电子显微镜于1931年发明，但在生物学范畴的应用滞后于资料科学，缘由在于生物样品含水分才会稳定，而电子显微镜必须在高真空下才干工作，因而如何制造高分辨率生物电镜样品是个技术瓶颈。传统的重金属负染技术，能够让重金属包被蛋白名义，然后脱水单调制造合适真空成像的样品，但这会招致样品分辨率降低（至多保存1.5纳米）。 1968年，英国剑桥大学MRC实验室的Klug博士和他的学生DeRosier开创了基于负染的噬菌体病毒的电镜三维重构技术（Klug 博士获1982年诺贝尔化学奖）。但如何坚持生物样品原子分辨率结构又合适电镜成像呢？加州大学伯克利分校的Robert Glaeser博士和他学生Ken Taylor 于1974年初次提出并测试了冷冻含水生物样品的电镜成像，能够有效降低辐照损伤对高分辨率结构破坏和维持高真空，完成高分辨率成像的新思绪，这就是冷冻电镜（CryoEM）的雏形。
冷冻电镜样品制造流程，图片来自creative-biostructure.com 1982年，Dubochet 博士指导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制造不构成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推行开来。 在Klug博士提出的三维重构技术基础上，MRC实验室的Richard Henderson博士（物理学及X射线晶体学背景）跟同事Unwin 博士1975年开创了二维电子晶体学三维重构技术，随后应用该技术技术解析了第一个膜蛋白细菌视觉紫红质蛋白的三维结构，1990抵达3.5埃，这是一个十分了不起的工作，但是第一个相似的膜蛋白结构的诺贝尔奖还是被X射线晶体学家米歇尔于1988年夺走了。二维晶体最大问题在于很难长出二维晶体，因而应用范围很窄，且容易被X射线晶体学家抢了饭碗（自己刚入行第一个薄三维晶体项目就被抢了）。 上世纪90年代，Henderson博士转向了刚兴起的另一项CryoEM三维重构技术，即Joachim Frank 博士展开的单颗粒剖析重构技术，无需结晶就能够对一系列蛋白或复合体颗粒直接成像，对位平均分类，然后三维重构。Henderson 博士仰仗他深沉的物理学及电子显微学功底，以及特殊的洞察力，提出完成原子分辨率CryoEM技术的可行性，在理论上做了一系列超前的预见，好比电子束惹起的样品漂移必须处置才干完成原子分辨率，为后期直接电子相机的突破指明了方向，他自己也投身于直接电子相机的开发。 因而，在这场电镜分辨率的反动中，Henderson博士是个不折不扣的发起者。另外，三维重构新算法的突破也有Henderson 博士的独具慧眼有关，Sjors Scheres博士在没有很强论文状况下被他看中招募到MRC后由于开发经典的Relion 三维重构算法大放异彩。 最后，我们再引见一下展开冷冻电镜单颗粒三维重构技术的Joachim Frank博士，他也是物理学背景。Frank 博士是单颗粒剖析开山祖师，单颗粒三维重构算法及软件Spider的作者。 Frank 师从德国著名的电子显微学家Hoppe博士，Hoppe学派主张对恣意外形样品直接三维重构，后来的电子断层三维重构及cryoEM三维重构技术都与他的早期思想有关。Frank博士提出基于各个分散的全同颗粒（蛋白）的二维投影照片，经过火类对位平均，然后三维重构取得蛋白的三维结构，展开了一系列算法并编写软件（SPIDER）完成无需结晶的蛋白质三维结构解析技术。特别在核糖体三维重构方面有一系列的重要开创性工作，可惜当年核糖体结构诺贝尔奖没有给他。往常给他在cryoEM单颗粒三维重构的一个诺贝尔奖，实至名归。 |
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