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

2017年諾貝爾化學獎授予三位冷凍電鏡領域的學者
 
　　獲獎人簡介
 
　　約阿基姆·弗蘭克(Joachim Frank)
 
　　德裔生物物理學家，現為哥倫比亞大學教授。他因發明單粒子冷凍電鏡(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年入選為美國藝術與科學、美國國家科學院兩院院士。2014年獲得本杰明·富蘭克林生命科學獎。
 
　　理查德·亨德森(Richard Henderson)
 
　　蘇格蘭分子生物學家和生物物理學家，他是電子顯微鏡領域的開創者之一。1975年，他與Nigel Unwin通過電子顯微鏡研究膜蛋白、細菌視紫紅質，并由此揭示出膜蛋白具有良好的機構，可以發生α-螺旋。近年來，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年博士畢業于日內瓦大學和瑞士巴塞爾大學，瑞士洛桑大學生物物理學榮譽教授。Dubochet 博士領導的小組開發出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術制作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品，隨著冷臺技術的開發，冷凍電鏡技術正式推廣開來。
 
　　冷凍電鏡技術為何摘得2017年的諾貝爾化學獎
 
　　2013年，冷凍電鏡技術的突破給結構生物學領域帶來了一場完美的風暴，迅速席卷了結構生物學領域，傳統X射線、傳統晶體學長期無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，一個個被迅速解決，紛紛強勢占領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。
 
　　這場冷凍電鏡革命的特點是：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。這場電子顯微學分辨率革命的突破有兩個關鍵技術：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。
 
　　引領這些技術突破的背后離不開三位冷凍電鏡領域的開拓者：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、重構算法和實驗方面的早期重要貢獻。
 
　　我本人與這三位科學家都有曾過面對面的交流，也是讀他們的文章進入這個領域的，下面簡要談談他們的貢獻。
 
　　電子顯微鏡于1931年發明，但在生物學領域的應用滯后于材料科學，原因在于生物樣品含水分才會穩定，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技術瓶頸。傳統的重金屬負染技術，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MRC實驗室的Klug博士和他的學生DeRosier開創了基于負染的噬菌體病毒的電鏡三維重構技術(Klug 博士獲1982年諾貝爾化學獎)。但如何保持生物樣品原子分辨率結構又適合電鏡成像呢?加州大學伯克利分校的Robert Glaeser博士和他學生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 博士領導的小組開發出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術制作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品，隨著冷臺技術的開發，冷凍電鏡技術正式推廣開來。
 
　　在Klug博士提出的三維重構技術基礎上，MRC實驗室的Richard Henderson博士(物理學及X射線晶體學背景)跟同事Unwin 博士1975年開創了二維電子晶體學三維重構技術，隨后應用該技術技術解析了第一個膜蛋白細菌視覺紫紅質蛋白的三維結構，1990達到3.5埃，這是一個非常了不起的工作，但是第一個類似的膜蛋白結構的諾貝爾獎還是被X射線晶體學家米歇爾于1988年奪走了。二維晶體最大問題在于很難長出二維晶體，因而應用范圍很窄，且容易被X射線晶體學家搶了飯碗(本人剛入行第一個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，即Joachim Frank 博士發展的單顆粒分析重構技術，無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，然后三維重構。Henderson 博士憑借他深厚的物理學及電子顯微學功底，以及非凡的洞察力，提出實現原子分辨率CryoEM技術的可行性，在理論上做了一系列超前的預見，比如電子束引起的樣品漂移必須解決才能實現原子分辨率，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發。
 
　　因此，在這場電鏡分辨率的革命中，Henderson博士是個不折不扣的發起者。另外，三維重構新算法的突破也有Henderson 博士的獨具慧眼有關，Sjors Scheres博士在沒有很強論文情況下被他看中招募到MRC后因為開發經典的Relion 三維重構算法大放異彩。
 
　　最后，我們再介紹一下發展冷凍電鏡單顆粒三維重構技術的Joachim Frank博士，他也是物理學背景。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 師從德國著名的電子顯微學家Hoppe博士，Hoppe學派主張對任意形狀樣品直接三維重構，后來的電子斷層三維重構及cryoEM三維重構技術都與他的早期思想有關。Frank博士提出基于各個分散的全同顆粒(蛋白)的二維投影照片，經過分類對位平均，然后三維重構獲得蛋白的三維結構，發展了一系列算法并編寫軟件(SPIDER)實現無需結晶的蛋白質三維結構解析技術。尤其在核糖體三維重構方面有一系列的重要開創性工作，可惜當年核糖體結構諾貝爾獎沒有給他。現在給他在cryoEM單顆粒三維重構的一個諾貝爾獎，實至名歸。
 
　　“不務正業”的諾貝爾化學獎
 
　　諾貝爾化學獎是以瑞典著名化學家、硝化甘油炸藥發明人阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾的部分遺產作為基金創立的5個獎項之一，從1901年至2016年，共頒發了108次，擁有175位獲獎者。
 
　　2007年-2016年的諾貝爾化學獎的獲獎情況如下：
 
　　2007年：諾貝爾化學獎授予德國科學家格哈德·埃特爾，以表彰他在“固體表面化學過程”研究中作出的貢獻。
 
　　2008年：美國Woods Hole海洋生物學實驗室的下村修、哥倫比亞大學的Martin Chalfie和加州大學圣地亞哥分校的錢永健因發現并發展了綠色熒光蛋白(GFP)而獲得該獎項。
 
　　2009年：英國生物學家萬卡特拉曼·拉瑪克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、美國科學家托馬斯·斯泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列女生物學家約納什(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：美國德拉威爾大學的Richard F. Heck、普渡大學的Ei-ichi Negishi以及日本倉敷藝術科學大學的Akira Suzuki，他們發明了新的連接碳原子的方法，獲得2010年諾貝爾化學獎。
 
　　2011年：以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼因準晶體的發現而獲得2011年的諾貝爾化學獎。
 
　　2012年：美國科學家羅伯特·萊夫科維茨和布萊恩·克比爾卡因“G蛋白偶聯受體研究”獲諾貝爾化學獎。
 
　　2013年：諾貝爾化學獎授予美國科學家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒，以表彰他們在開發多尺度複雜化學系統模型方面所做的貢獻。
 
　　2014年：諾貝爾化學獎授予了美國科學家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國科學家斯特凡·黑爾，以表彰他們為發展超分辨率熒光顯微鏡所作的貢獻。
 
　　2015年：瑞典科學家托馬斯·林達爾、美國科學家保羅·莫德里奇和土耳其科學家阿齊茲·桑賈爾因在DNA修復的細胞機制研究上的貢獻而獲得2015年的諾貝爾化學獎。
 
　　有意思的是，自1901年首次頒獎以來，諾貝爾化學獎被多次頒發給生物、生物化學、生物物理、物理等領域，可謂是“不務正業”。據統計，2001年至2016年，在已頒發的15個諾貝爾化學獎中，與生物相關的化學獎達10次之多。