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| 清華大學蛋白質研究技術中心冷凍電鏡平台科研人員通過計算機處理冷凍電鏡圖像。新華社 |
中評社香港4月22日電／據新華社報道，生命離不開蛋白質。如何使用和發展先進技術手段來觀測這些納米級別的小小世界，一直是科學界聚焦的前沿領域。
2011年，中國開始籌建國家蛋白質科學研究設施，清華大學作為該設施的一個重要基地，在過去十年裡建成了世界上領先的冷凍電子顯微鏡（以下簡稱“冷凍電鏡”）平台。借助這一優勢，中國科學家在蛋白質結構研究領域取得了很多舉世矚目的成就。
比如，著名結構生物學家施一公帶領團隊對細胞核內負責遺傳的剪接體進行了一係列研究，成果連續登上國際頂級期刊；清華大學教授隋森芳帶領團隊將植物捕獲光能的蛋白質復合體的重要結構解析出來。
“人體裡有幾十萬種不同的蛋白質、核酸以及它們所形成的復合體，它們就像一台台很小的分子機器。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，對於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。”清華冷凍電鏡平台主要建設者、清華大學生命科學學院院長王宏偉說。
本世紀頭十年，冷凍電鏡還是一門不被看好的小眾技術。正是在這一時期，清華決定起步建設冷凍電鏡平台，為中國生命科學的發展贏得了寶貴先機。
“現在看來，這是一個非常重要的決定，對於過去十年中國在冷凍電子顯微學這個領域處於世界較為領先的地位，發揮了十分重要的作用。”王宏偉說。
冷凍住生命的奧秘
上世紀三十年代，世界上第一台電子顯微鏡問世，科學家自此可以觀察到細胞內部結構。然而，在觀察蛋白質大分子等天然狀態的生物樣本時，電子顯微鏡卻無能為力。
王宏偉解釋說，生物樣品含水，但電子顯微鏡內部一般為高真空狀態，生物樣品放置其中，水分會很快蒸發。“這就好比我們觀察木乃伊，看到的並不是人體的天然狀態。”
上世紀七八十年代，科學家逐漸發展出冷凍電鏡技術，但離成熟應用還有很大差距。結構生物學家更多使用X射線晶體學，但問題是很多復雜大分子物質難以獲得晶體。
過去十幾年，冷凍電鏡技術不斷進步，猶如向厚重的生命迷霧投下了一束光。2017年，三位發展冷凍電鏡技術的科學家被授予諾貝爾化學獎。
“我們把生物大分子溶液滴在直徑只有3至4毫米的金屬載網上，形成一層非常薄的水膜，然後在毫秒之間把它冷凍到液氮溫度（－196℃以下）。因為速度非常快，生物樣本裡的水分無法結晶，也來不及蒸發，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察，就可以獲得它們的內部結構了。”王宏偉說。
新冠疫情暴發以來，科學家們憑借冷凍電鏡技術對新冠病毒進行了一係列重構和研究。比如，清華大學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鍵氨基酸位點的突變。
“根據這些位點突變，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。”王宏偉說，服務現代生物制藥是冷凍電鏡技術發展的一個重要目標。
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