冷凍住生命的奧秘 花時(shí)間磨自己的刀

生命離不開(kāi)蛋白質(zhì)。從調節生理功能的激素、參加營(yíng)養代謝的酶，到輸送氧氣的血紅蛋白、抵抗疾病的抗體，都是以蛋白質(zhì)作為基本材料。如何使用和發(fā)展先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)觀(guān)測這些納米級別的小小世界，一直是科學(xué)界聚焦的前沿領(lǐng)域。

2011年，中國開(kāi)始籌建國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設施，清華大學(xué)作為該設施的一個(gè)重要基地，在過(guò)去十年里建成了世界上最大的冷凍電子顯微鏡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“冷凍電鏡”)平臺。借助這一優(yōu)勢，中國科學(xué)家在蛋白質(zhì)結構研究領(lǐng)域取得了很多舉世矚目的成就。

比如，施一公團隊對細胞核內負責遺傳的剪接體進(jìn)行了一系列研究，成果連續登上國際頂級期刊;隋森芳院士團隊將植物捕獲光能的蛋白質(zhì)復合體的重要結構解析出來(lái);楊茂君團隊對線(xiàn)粒體呼吸鏈復合物的三維重構為研究呼吸作用提供了新視角。

“人體里有幾十萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)、核酸以及它們所形成的復合體，它們就像一臺臺很小的分子機器。如果能夠搞清楚它們由哪些零件組成，以及這些零件如何裝配，對于理解分子機器本身怎樣工作，以及如何維修故障機器，都有重要意義。”清華冷凍電鏡平臺主要建設者、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(cháng)王宏偉說(shuō)。

盡管冷凍電鏡現在已成為蛋白質(zhì)研究的主流手段，但在本世紀頭十年里還是一門(mén)不被完全看好的小眾技術(shù)。正是在這一時(shí)期，清華決定起步建設冷凍電鏡平臺，為中國生命科學(xué)的發(fā)展贏(yíng)得了寶貴先機。

“現在看來(lái)，這是一個(gè)非常重要的決定，對于過(guò)去十年我國在冷凍電子顯微學(xué)這個(gè)領(lǐng)域處于世界上較為領(lǐng)先的地位，發(fā)揮了十分重要的作用。”王宏偉說(shuō)。

冷凍住生命的奧秘

上世紀三十年代，世界上第一臺電子顯微鏡問(wèn)世，科學(xué)家自此可以觀(guān)察到細胞內部結構。然而，在觀(guān)察蛋白質(zhì)大分子等天然狀態(tài)的生物樣本時(shí)，電子顯微鏡卻無(wú)能為力。

王宏偉解釋說(shuō)，生物樣品含水，但電子顯微鏡內部一般為高真空狀態(tài)，生物樣品放置其中，水分會(huì )很快蒸發(fā)，其天然結構就會(huì )隨之發(fā)生變化。“這就好比我們觀(guān)察木乃伊，看到的并不是人體的天然狀態(tài)。”

上世紀七八十年代，科學(xué)家逐漸發(fā)展出冷凍電鏡技術(shù)，但離成熟應用還有很大差距。結構生物學(xué)家更多使用X射線(xiàn)晶體學(xué)，但很多復雜大分子物質(zhì)難以獲得晶體，可借助這種方法進(jìn)行精細結構分析的生物樣品相對較少。

過(guò)去十幾年，冷凍電鏡技術(shù)不斷進(jìn)步，猶如向厚重的生命迷霧投下了一束光，其“近原子級別”的分辨率讓承擔生命活動(dòng)的蛋白質(zhì)逐漸從“黑匣”中露出真容。

秘訣就在“冷凍”二字。“我們把生物大分子溶液滴在直徑只有3至4毫米的金屬載網(wǎng)上，形成一層非常薄的水膜，然后在毫秒之間把它冷凍到液氮溫度(-196℃以下)。因為速度非?？?，生物樣本里的水分無(wú)法結晶，也來(lái)不及蒸發(fā)，而是形成一層薄冰。我們再把這樣的樣本保持低溫放置在電子顯微鏡下觀(guān)察，就可以獲得它們的內部結構了。”王宏偉說(shuō)。

2017年，三位發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)的科學(xué)家被授予諾貝爾化學(xué)獎，奠定了這一技術(shù)的主流地位。新冠疫情暴發(fā)以來(lái)，科學(xué)家們憑借冷凍電鏡技術(shù)對新冠病毒的一系列三維重構，讓這一前沿技術(shù)更為大眾所了解。

清華大學(xué)王新泉和張林琦團隊借助冷凍電鏡，解析出新冠病毒表面刺突蛋白受體結合區一些關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)的突變，對于分析這些突變對新冠病毒毒性和感染能力的影響具有重要意義。

“根據這些位點(diǎn)突變，科研人員可以評估、改造或設計藥物和疫苗，使其特異性更強。長(cháng)遠來(lái)講，利用已知蛋白質(zhì)結構，科學(xué)家甚至有希望研發(fā)出更加廣譜的抗病毒藥物。”王宏偉說(shuō)，服務(wù)現代生物制藥，是冷凍電鏡技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要目標。

一輩子一次的機會(huì )

回憶起十年來(lái)回國建設冷凍電鏡平臺的經(jīng)歷，王宏偉由衷感慨：自己的所得一直超出期望。

2001年赴美做博士后，2009年成為耶魯大學(xué)助理教授并組建獨立實(shí)驗室，王宏偉原本可以沿著(zhù)既定的軌道早一步實(shí)現自己的學(xué)術(shù)夢(mèng)想。2009年底，王宏偉回國探親，在母校清華遇到了時(shí)任清華大學(xué)生命科學(xué)與醫學(xué)研究院副院長(cháng)施一公教授和自己的導師隋森芳院士，兩位邀請他回國建設一個(gè)世界頂級冷凍電鏡中心。

2009年，亞洲首臺冷凍電鏡在清華安裝落成。但這項技術(shù)的走向尚不明朗。西方同行甚至質(zhì)疑，冷凍電鏡設備未來(lái)有沒(méi)有人用?

“確確實(shí)實(shí)，我經(jīng)過(guò)認真的思考。一個(gè)世界頂級的冷凍電鏡中心，對我有很大的吸引力，可能是一輩子才有一次的機會(huì )。”這位從1996年進(jìn)入清華讀博就一直從事冷凍電鏡研究的科學(xué)家回憶說(shuō)。

2011年，王宏偉辭去耶魯的工作，回到清華。

告別已經(jīng)開(kāi)展的課題和成熟的科研團隊，王宏偉回國后面對的工作千頭萬(wàn)緒。“剛開(kāi)始沒(méi)人，我就從技術(shù)員到平臺主管一個(gè)一個(gè)去招;跟學(xué)校協(xié)商人員設置、編制數目、待遇薪酬;去廠(chǎng)家選型采購冷凍電鏡設備……”

2014年，清華基地冷凍電鏡設備基本到位，中國一躍成為這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。而更令王宏偉高興的是，恰恰就在這一時(shí)期，冷凍電鏡技術(shù)從硬件到軟件的多方面突破大大提升了這一技術(shù)的效率和精度。

在技術(shù)革新浪潮帶動(dòng)下，清華冷凍電鏡平臺主管雷建林教授開(kāi)發(fā)了一套數據自動(dòng)收集軟件。“之前，研究人員要坐在顯微鏡前一張一張手動(dòng)去拍照片，每一張都要人工調好相關(guān)參數。一個(gè)項目收集一套數據，需要拍攝幾百到上千張照片，科研人員在顯微鏡前一坐就要好幾天。”王宏偉說(shuō)。

“現在，只要花兩三個(gè)小時(shí)挑選樣品、設置參數，后邊的事情就可以全部交由計算機自動(dòng)完成，不僅提高了效率，而且顯微鏡的穩定性也更強。”王宏偉說(shuō)。

花時(shí)間磨自己的刀

目前，清華冷凍電鏡平臺共有十多臺設備，包括4臺300千伏的高端設備，所有設備24小時(shí)滿(mǎn)負荷運轉。每個(gè)月，平臺可以完成兩三百個(gè)項目的數據采集。

“即使這樣，還不足以滿(mǎn)足需求。我們面對的用戶(hù)從原來(lái)的結構生物學(xué)領(lǐng)域拓展到細胞生物學(xué)、甚至神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域，未來(lái)可能會(huì )有臨床醫生使用我們的設備。所以，需求會(huì )越來(lái)越大。”王宏偉說(shuō)。

清華冷凍電鏡平臺不僅面向國內用戶(hù)，而且從建設之初就向全球開(kāi)放，過(guò)去十年來(lái)已為來(lái)自美國、英國、日本和新加坡等世界各地的科研團隊提供服務(wù)。

據王宏偉介紹，美英等國的科學(xué)家從五六年前開(kāi)始以清華冷凍電鏡平臺為參照，說(shuō)服各自政府投資建設自己國家的冷凍電鏡中心。

“清華基地幾乎每年都會(huì )組織一到兩場(chǎng)面向全球的技術(shù)培訓班或學(xué)術(shù)交流會(huì )，很多人通過(guò)我們的培訓班和學(xué)術(shù)會(huì )議，對冷凍電鏡技術(shù)有了更多的了解和掌握，為建設他們自己的冷凍電鏡中心和更好地使用冷凍電鏡技術(shù)打下了很好的基礎。”

不過(guò)，王宏偉很清楚，想要保持創(chuàng )新的優(yōu)勢和活力，僅靠增加幾臺設備是不行的，還需要克服一個(gè)重大短板——中國目前還沒(méi)有能力生產(chǎn)自己的冷凍電鏡設備。

一臺冷凍電鏡設備，大大小小零部件加起來(lái)有上萬(wàn)件，而中國所有科研單位使用的冷凍電鏡設備，小到一個(gè)螺絲釘，大到最復雜的電子槍元件，全部來(lái)自國外廠(chǎng)家。

“這也是我們一直在思考的問(wèn)題。”王宏偉指出，研發(fā)建設具有自主知識產(chǎn)權的冷凍電鏡工具和方法，應該成為下一步布局的重點(diǎn)。

我國在“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中強調創(chuàng )新在現代化建設全局的核心地位，并要求把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰略支撐。

“作為基礎研究的工具，冷凍電鏡必將在推動(dòng)科技創(chuàng )新方面發(fā)揮非常重要的作用。”王宏偉說(shuō)，他的團隊一直在研究開(kāi)發(fā)原創(chuàng )性的冷凍電鏡技術(shù)和方法，包括創(chuàng )新型的儀器和設備。

“以前，我們從別人那兒買(mǎi)刀，砍柴的成果很明顯?，F在，我們要花時(shí)間磨自己的刀，去砍更多的柴、更好的柴。”王宏偉說(shuō)。

本報記者全曉書(shū)、李宓、高蓓

(陳昊佺、吳夢(mèng)對此文亦有貢獻)

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