冷冻电子显微镜曾被嘲讽为“不成形学”,但它成像分辨率低的日子已经过去。近年来,冷冻电子显微镜图像已经从模糊的团块(如上图紫色物体的左半部分)转变为能够呈现单个原子的模型(如上图紫色物体的右半部分及本页上方的寨卡病毒)。
上图这个五彩缤纷的彩球肉眼看不到,却又不可思议。这个生动的模型其实是一个颜色编码的寨卡病毒,这句话末尾的句号这么大的面积就放得下几百万个寨卡病毒。
我们能在这里看到这种病毒,得益于冷冻电子显微镜(cryo-EM),这种成像技术简直太棒了,科学家们能够借助它看到分子,研究生命体的细胞机制也变得更加容易。
冷冻电子显微镜的工作原理是,向一个含有特定分子的速冻水薄膜发射电子束,这种“照射”会从不同角度生成许多该分子的二维图像,再通过计算将这些二维图像合成一个三维模型。冷冻电子显微镜诞生之初,获得的分子图像是模糊不清的团块,所以有人将其与不太常用的高分辨率成像技术——X射线晶体学进行对比,讥讽它是“不成形学”,因而弃之不用。但是在2013年,冷冻电子显微镜的分辨率首次达到了原子级。
“我不太确定我们能否将冷冻电子显微镜的分辨率提升到原子级;就在10年以前我对此还持怀疑态度。”哥伦比亚大学生物物理学家乔基姆·弗兰克说,弗兰克因协助改进了冷冻电子显微镜而共同获得了2017年的诺贝尔化学奖。现在人们可以清晰地看到蛋白质结成块的过程,就如同珠子一个一个地串在线上。
借助冷冻电子显微镜,我们能够看到分布在细胞膜上的蛋白质,甚至能够在药物分子附着在目标物上时将其“拍摄”下来。谁知道生物化学领域的这次变革会怎样发展下去呢?“我很兴奋”,弗兰克说。