诺贝尔化学奖官方解读:原子层面看清生命的本质

日期:2017-10-05

新浪科技讯 北京时间10月4日消息,据国外媒体报道,诺贝尔化学奖刚刚揭晓!2017年诺贝尔化学奖授予雅克·杜邦内特(Jacques Dubochet),约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank),以及理查德·亨德森(Richard Henderson),以表彰他们“在开发用于溶液中生物分子高分辨率结构测定的冷冻电镜技术方面的贡献”。

  他们在原子层面看清了生命的本质

  2017年的诺贝尔化学奖授予雅克·杜邦内特(Jacques Dubochet),约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank),以及理查德·亨德森(Richard Henderson),以表彰他们“在开发用于溶液中生物分子高分辨率结构测定的冷冻电镜技术方面的贡献”。这是一种呈现生物分子三维立体图像的技术方法。使用冷冻电镜技术,研究人员能够将运动中的生物分子进行冷冻,并在原子层面上进行高分辨率成像。这项技术将生物化学带入了一个崭新时代。

在过去的数年间,大量令人惊叹的分子结构充斥着各类文献(如图一):沙门氏菌用于侵袭细胞的注射端;导致化疗以及抗生素失效的蛋白质结构图;以及掌管生物昼夜节律的复杂分子结构等等。这里所展示的还只不过是冷冻电镜技术(cryo-EM)应用领域内很少的案例。当研究人员开始怀疑寨卡病毒和发生在巴西境内导致大量新生儿出现大脑损伤的“小头症”有关联时,他们利用冷冻电镜技术对病毒进行了直接成像。在短短数月内,原子层面分辨率的寨卡病毒的立体三维图像便产生出来了,科学家们基于这些成果迅速研发相应药物。

  雅克·杜邦内特、约阿希姆·弗兰克以及理查德·亨德森的突破性贡献让冷冻电镜技术得以成为现实。这项技术将生物化学技术带入了一个崭新的时代,让科学家们获取高分辨率生物分子图像变得前所未有的容易。

  图像是知识的载体和基础。在20世纪上半叶,生物分子——比如说蛋白质,DNA以及RNA都是生物化学地图上无法填充的空白区。科学家们知道这些物质在细胞内扮演着关键性作用,但我们无从知晓这些物质本身究竟是什么样的结构。直到1950年代,当英国剑桥大学的科学家们开始探索利用X射线研究蛋白质晶体结构时,这一问题才开始崭露曙光——这是历史上第一次,人类开始有可能将这些物质繁复缠绕的复杂结构用可视化的方式呈现出来。

  到了上世纪1980年代,X射线晶体学成像方法得到了核磁共振(NMR)技术的帮助,用于研究固体状态或者溶液中的蛋白质结构。这项技术不仅揭示蛋白质的结构,还能研究蛋白质的运动及其与其他分子之间的相互作用。正是因为有了这两种技术的帮助,我们现在才会有囊括了数以千计生物分子模型的数据库可以使用,这些数据库现在被应用在从基础研究到制药公司的各行各业。

  然而,这两种技术都有着基础性缺陷。对溶液内样品使用核磁共振技术对样品本身有限制,它只能应用于相对较小的蛋白质。而X射线晶体学方法要求必须首先将样品制作为晶体,比如进行低温冻结。即便如此,最终拍摄出来的图像看上去的效果仍然就像早期相机拍出的黑白照片,科学家们很难从这些模糊不清的图像中提取到关于蛋白质动态下的有价值信息。

  另外,很多分子是很难制备成晶体样本的,这一缺陷最终让理查德·亨德森在1970年代下决心放弃X射线晶体学方法——而这,正是今年诺贝尔化学奖获奖成果故事的开端。

  亨德森另辟蹊径

  理查德·亨德森在英国剑桥大学获得X射线晶体学领域的博士学位。他利用这种方法对蛋白质进行成像,但是当他尝试对一种自然地内嵌于细胞膜上的蛋白质进行晶体制备时,却遭遇到巨大困难。膜蛋白难以操控。它们一旦离开原有的自然环境,也就是细胞膜之后就会萎缩成一团毫无用处的物质。

  理查德·亨德森尝试成像的第一种膜蛋白难以制备足够用量的样本,而第二种膜蛋白则难以结晶。在经过数年的徒劳沮丧之后,亨德森开始尝试他最后的一种“杀手锏”——电子显微镜。在当时,电子显微镜是否真的能够在这一领域使用仍然是一个有争议的话题。这项技术被称为透射电镜,其原理或多或少与传统的显微镜类似,不同的只是会有一束电子束流射向样品,而不是传统显微镜那样是一束光线。

  电子的波长远小于光子,因此电子显微镜能够分辨非常微小的结构——甚至是单个的原子。理论上讲,电子显微镜的分辨率要满足亨德森拍摄膜蛋白结构的需求是绰绰有余的,但是在现实中,这一目标却几乎是无法实现的。

  当电子显微镜在1930年代被最早发明出来时,科学家们认为其只适合对“死的”物质进行研究。获得高分辨率图像所需的强烈电子束流会破坏生物材料样品,而如果降低电子束流强度,成像质量则会大幅下降。

  除此之外,电子显微镜需要用到真空腔,而这也不适合应用于生物分子,因为在这样的环境下生物分子周围的水会迅速挥发掉。而当生物分子干涸时,它们的结构将崩塌,丧失自然结构特征,从而让成像结果变得毫无意义。所有这一切几乎都在告诉亨德森,他的大胆尝试注定将要失败。但是,他的尝试却由于他当时选中进行研究的蛋白质类型比较特殊而出现了转机,他研究的对象是细菌视紫红质。

  这样还不够好

  细菌视紫红质是一种内嵌在光合作用有机体细胞膜上的紫色蛋白质,其能够捕捉太阳光线中的能量。亨德森不再试图像以前那样将其从细胞膜上剥离,而是将其直接连同其所在的细胞膜一起放置到电子显微镜下进行观察。由于该蛋白质此时仍然处于细胞膜上的自然环境下,它继续保持着自己的自然立体结构。亨德森小组用葡萄糖溶液覆盖样本表面以防止其在真空腔内干涸。

  但是强大的电子束流是一个问题,不过研究组从这种蛋白质在细胞膜上内嵌方式中获得了启发。他们没有采用高强度电子束流,而是使用了强度更低的束流。这样得到的图像对比度很差,无法分辨单个分子,但研究组利用了一个此前已知的事实,那就是这种蛋白质在细胞膜上是规整排列且朝向一致的。当所有蛋白质都发生同向衍射时,基于衍射模式计算,研究组能够反推得到更加精细的图像——这种方法与在X射线晶体学成像技术中使用的数学方法是类似的。

 

  下一步,研究组将细胞膜样品再次放置到电子显微镜下,从很多不同的角度进行拍摄。通过这种方法,到1975年时他们已经能够得到细菌视紫红质的三维立体结构图像了(图2)。从图像中可以清晰观察到蛋白质链条是如何在细胞膜上来回穿行的。这是历史上使用电子显微镜获得的最佳蛋白质图像。很多人对这样的高分辨率图像印象深刻(其图像分辨率达到了7埃水平,相当于0.0000007毫米)。这是一个惊人的成就,但在亨德森看来,这样的结果还不够好。他的目标是达到X射线晶体学成像方法通常能够达到的分辨率水平——大约3埃左右,并且他坚信利用电子显微镜成像技术,这个目标是可以实现的。

  




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