2017 諾貝爾化學獎揭曉,獲獎 3 學者為低溫電子顯微鏡革新者

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 05 日 11:24 | 分類 生物科技 , 科技教育 , 自然科學 follow us in feedly

2017 諾貝爾化學獎發表了,得獎人是瑞士的雅克·杜伯謝(Jacques Dubochet)、美國的喬基姆·法蘭克(Joachim Frank)及英國的理查·韓德森(Richard Henderson)3 位學者,以表彰他們的低溫電子顯微鏡革命,使觀測高解析度生物分子結構成為可能。



(Source:Nobel Prize

不知道大家以往在看生化醫學相關的新聞時,有沒有發現到某個時期前,病毒或其他生物分子結構的照片,看起來就像是老舊 3D 恐怖遊戲裡面的粗糙畫面,就是一「坨」東西,看起就像是很假的 3D 模型,然而近幾年好像變得很不一樣?是的,2013 年是個轉捩點,科學家開始可以用顯微鏡觀看到高解析度的生物分子結構圖,而且還是 3D 可旋轉,這背後就來自於低溫電子顯微技術的大革命。

▲ 左邊是 2013 年前的解析度,右邊是現在的解析度。

自顯微鏡發明以來,科學家無不希望技術的進步,能讓他們看到越來越細微的生物體分子結構。光學顯微鏡可以看到細胞的結構,例如說細胞裡面哪裡有蛋白質;而電子顯微鏡可以看到更細,例如蛋白質的分子結構。可是問題來了,電子顯微鏡的電子束會對生物體樣本造成輻射損傷,看得稍微久一點,樣本就燒焦了,在看本文的你可回想一下高中理化,應該對一件事有印象──科學觀察要盡量避免觀測行為干涉受觀測者,以免導致不準確甚至不正確的觀測結果,而這造成長時間以來電子顯微鏡主要用在化學或材料科學,而不是在生物樣本。

電子顯微鏡的技術其實發展已久,最早的原型發表於 1931 年,一直到 1980 年代末,冷凍電子顯微鏡才發展出來。然而當時 X 光線是時髦研究工具,冷凍電子顯微鏡還在萌芽階段,大家都不看好,只有韓德森這位先驅獨排眾議,預言「冷凍電鏡會超越其它各種技術,成為蛋白結構研究的主要工具。」而後在 1990 年,韓德森首次成功用電子顯微鏡得到蛋白質結構的高解析影像。

法蘭克貢獻的是 3D 影像分析法,跟觀測無生命如石頭、金屬等靜態物不同,生物樣本當然會動來動去,傳統照法出來的結果不但只有平面影像且還很模糊。法蘭克發展出一套方法,就是先把生體分子「照相」投影到平面上,用電腦程式整理:分子照出甲截面的歸納在一起,照出乙截面的歸納在一起,當整理出好幾種截面的投影以後,再把這些截面還原重製出 3D 的生體分子結構來(因為都是一樣的分子)。

▲ 一、生體分子角度不一,而且還會動。

▲ 二、把投影下來的截面影像歸類。

▲ 三、把歸類好的截面影像編好索引。

▲ 四、重建出 3D 影像。

而杜伯謝的貢獻更有趣了,傳統的低溫電子顯微鏡為避免生體樣本被燒壞,是用結冰法。是的,生體樣本這樣就不會被電子束燒壞了,但結冰產生的冰晶結構會讓成像畫面扭曲失真,這樣的影像品質當然就不好;而本來觀測生體分子時,有時觀測重點就是要看分子的運動,被凍住當然就動也動不了了。杜伯謝發明的方法,是把樣本置入低溫的液態乙烷,如此超低溫下,包住蛋白質的單體仍可以自由活動,而電子束照射時,這樣的低溫液態乙烷不但能保護生體樣本不被燒傷,且沒有冰晶,所以可得到清晰不失真的影像。

▲ 左邊照片是用結冰拍照,畫面會扭曲;右邊照片是用液體,照出來畫面就會是正常的。

由於他們 3 人的研究,讓生物科技在這幾年突飛猛進,例如許多病毒的結構可觀測到深入原子的層級,這使一些本來陷入瓶頸的不治之症研究發出一絲曙光,這真的要感謝他們對人類社會的卓越貢獻。

(首圖來源:達志影像)

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