观察生命的细节

苗千

2017年10月4日，瑞典皇家科学院将本年度的诺贝尔化学奖授予三位发展了冷冻电子显微镜技术（Cryo-Electron Microscopy），使人类得以通过极高的分辨率研究溶液中的生物分子结构的三位科学家：来自瑞士洛桑大学的雅克·杜波切特（Jacques Dubochet），美国哥伦比亚大学的乔基姆·弗兰克（Joachim Frank），以及英国剑桥大学的理查德·亨德森（Richard Henderson）。这三位科学家将各获得奖金的三分之一。诺贝尔委员会给出的授奖理由是：因为这三位科学家的贡献，人类将可以很快以原子级别的清晰度观察生命运行的机理，使人类终于获得生物细胞的三维图像，这对人类理解生命的本质具有重大意义，“把生物化学推动到了一个新的时代”。

认识各种蛋白质、DNA、RNA，乃至病毒的真实结构，对于人类研发药物，乃至于理解生命的本质都有重要意义，但是在冷冻电子显微镜技术发明之前，想做到这一点并不容易。人类此前经常使用X射线晶体衍射的方法来探究物质的微观结构，但是这需要物质以晶体的方式排列——这对于蛋白质来说很难实现，而且通过这种方式也无法研究蛋白质的活动特性。人类在20世纪30年代就开发出了电子显微镜技术，但是这种技术只能适用于没有生命的物体——高能的粒子束会使生物细胞丧失水分，破坏细胞的微观结构。

剑桥大学的细胞生物学家理查德·亨德森的博士课题与X射线的晶体衍射技术相关。为了探索蛋白质的结构，他一开始也试图利用X射线成像，但到了20世纪70年代，他就转向了电子显微镜技术，希望能够有所突破。想要利用电子束来对生物細胞进行成像，面临着许多实际问题。电子显微镜通常需要在真空环境中进行工作，如何制备样品，如何保存生物细胞中的水分，又如何让电子束不会破坏掉样品的结构，都是需要解决的难题。

英国剑桥大学的理查德·亨德森

最初科学家们想利用电子显微镜获得生物细胞的图像，需要先使用一种特制的薄膜包裹住样品，然后用强度极低的电子束对其进行成像。这种手段获得的图像精度有限。在20世纪70年代，理查德·亨德森与他在剑桥大学的合作者奈杰尔·安温（Nigel Unwin）做出了一个重大突破，他们使用葡萄糖溶液替代样品中的水分，并且采取了新型的样品制备方式，可以在常温下用极低强度的电子束进行样品成像，使电子束对样品的损害降到最低，从而首次获得了清晰的样品结构图像。

乔基姆·弗兰克从20世纪70年代开始研究一种图像合成算法，可以将同一样品在不同角度拍摄的二维电子显微镜图像合成为三维图像——这需要对每一个样品的位置和朝向都做出准确判断。对于生物样品来说，不同的样品很少有完全相同的结构，而且在样品中还有可能含有杂质。因此想要进行判断和计算，就需要能够辨别同一样品各种各样的不同状态。在1981年，乔基姆·弗兰克与合作者马林·凡·黑尔（Marin van Heel）得出一种方法，可以将样品图像根据不同的朝向归类，同时分析样品的结构特点。乔基姆·弗兰克在此基础上开发了众多用于样品图像分析的算法，他将这些算法综合起来，形成一套被称为“SPIDER”的电脑程序供科学界使用。这些算法对于低温电子显微镜技术至关重要。

如果能够在低温条件下观测样品，会防止样品中水分的蒸发，电子束对于样品的损害也会降低。但另一方面，在低温条件下样品中的水分有可能凝结成晶体，这种晶体结构会对电子束造成强烈的散射，影响成像，而且样品中水分的晶体结构也有可能破坏样品自身的结构。这些技术上的困难在20世纪40年代就已经被人注意到，逐渐有人开始意识到，这些难题可以通过对样品进行快速降温，使样品中的水分无法结晶，而是呈现出一种玻璃化的状态来解决，这样就有可能在低温条件下获得样品高精度的图像。

左图：瑞士洛桑大学的雅克·杜波切特 右图：美国哥伦比亚大学的乔基姆·弗兰克（右）

在理论上，让水在低温状态下维持一种玻璃化的固体形态，可以使样品在电子显微镜中更清晰地成像，这已成为科学家们的共识。但在实际操作中，是否有可能让大量的水分达到这样的状态，直到20世纪80年代之前还众说纷纭，很多人对此充满怀疑。直到1981年，这个问题才被真正解决，雅克·杜波切特与合作者阿拉斯戴尔·麦克道尔（Alasdair McDowall）终于在实验中得到了玻璃化的固态水。他们把水喷洒在碳薄膜的表面，然后将其浸入到温度为-190摄氏度的液态乙烷中，再使用液氮保持低温状态。这种玻璃化的固态水在低温电子显微镜中可以非常均匀地吸收电子，达到一种理想的观测状态，而这种状态在其被加热到-140摄氏度的条件下又会被破坏，玻璃化的固态水会转变为晶体。理查德·亨德森认为，雅克·杜波切特所完成的正是低温电子显微镜中“低温”这一部分，他是这个领域真正的开拓者。

如今低温电子显微镜已经成为结构生物学的关键技术，这项技术仍然在不断进化，所能够达到的分辨率也在不断提高。现在这种技术已经可以为科学家们提供生物细胞原子级别的清晰图像。在2016年，人类正是通过这种技术得知寨卡病毒的结构，理解病毒攻击细胞的原理。人类也正在通过低温电子显微镜技术理解生命更深刻的奥秘。而这三位科学家获得诺贝尔化学奖，也会让人们开始思考化学这门学科的本质。

阿尔弗雷德·诺贝尔先生本人就是一位化学家，但近年来诺贝尔化学奖的光芒常常被物理学奖所掩盖。就连很多化学家们也会开玩笑说，诺贝尔化学奖从来不颁发给真正的化学家，而是会颁给物理学家或是生物学家。化学的研究领域确实没有物理学广阔，它是一门专注于分子层面的科学。2016年的诺贝尔化学奖颁发给了几位发现新型化学键的科学家，而本年度的化学奖颁发给几位开拓出全新的方法观察分子结构的科学家，这几位科学家通过不同的手段，都让人类在分子层面对自然界有了更深刻的认识，这正是化学的迷人之处。

热门人选

对于化学奖，汤森路透今年给出了这样的预测名单：第一组：美国加州理工大学退休教授约翰·伯考（John E. Bercaw）、美国加州大学伯克利分校特聘教授罗伯特·伯格曼（Robert G. Bergman）、俄罗斯科学院谢苗诺夫化学物理研究所高级研究员格力盖伊·舒尔平（Georgiy B. Shul'pin）等三人对C-H键官能团化做出了重大贡献。这三位科学家都是著名的有机化学家，在金属有机催化剂研究领域都做出了杰出的贡献，他们的研究成果早已应用于工业生产领域。

第二组：出生于丹麦的理论物理学家、美国斯坦福大学工程学院教授、普雷科特能源研究院高级研究员杨·诺斯科夫（Jens K. Norskov）。他在固态表面非均相催化的理论和实践方面的基础性突破。

第三组：日本桐荫横滨大学生物医学工程学院、工程学研究生院光电化学与能源科学教授宫坂力（Tsutomu Miyasaka），韩国成均馆大学化学工程学院教授朴南圭（Nam-Gyu Park），英国牛津大学克拉伦登实验室物理学教授亨利·斯奈思（Henry J. Snaith）。汤森路透给出的获奖理由是，高效能量转换效率的光伏材料的发现及应用。

日本桐荫横滨大学生物医学工程学院、工程学研究生院光电化学与能源科学教授宫坂力

不过，名单上的几位科学家并没有出现在获奖人名单上。2017年的诺贝尔化学奖颁给了在冷冻电子显微镜技术方面做出杰出贡献的三位科学家。汤森路透的预测是基于科学家的论文引用次数做出的判断，引用次数的高低反映的是一位科学家近些年来的活跃程度以及某些学科近些年的热度。而在评奖方面，瑞典皇家科学院是比较保守的，轻易不会冒险授予未经时间充分检验的成果的。毕竟在这方面，瑞典皇家科学院是有过教训的。endprint