2017 年诺贝尔化学奖：3D 捕捉生命分子
由获奖者单独开发的低温电子显微镜的使用允许生物分子在运动过程中被冻结，并以原子分辨率进行描绘。诺贝尔委员会表示，这项技术“将生物化学带入了一个新时代”。
理查德·亨德森（左）、约阿希姆·弗兰克（中）、雅克·杜波切特（右）。 周三，2017 年诺贝尔化学奖授予 Jacques Dubochet、Joachim Frank 和 Richard Henderson，他们开发了低温电子显微镜，用于溶液中生物分子的高分辨率结构测定。
电子显微镜是由德国物理学家 Ernst Ruska 在 1930 年代初期设计的，他因此获得了 1986 年的诺贝尔物理学奖（与分享另一半奖项的 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 一起）。四年前，1982 年的诺贝尔化学奖颁给了亚伦·克鲁格 (Aaron Klug)，因为他开发了晶体电子显微镜技术，并对生物学上重要的核酸-蛋白质复合物进行了结构解析。
在 20 世纪上半叶的大部分时间里，确定生物分子（蛋白质、DNA 和 RNA）的结构已成为生物化学领域的一项重大挑战。科学家的知识在过去 60 年中稳步发展——从球状蛋白质结构的开创性晶体学研究开始，1962 年获得诺贝尔化学奖的 Max F Perutz 和 John C Kendrew，到掌握冷冻电子显微镜 (cryo-EM)已颁发 2017 年大奖。
在 50 年代，X 射线晶体学（将蛋白质晶体暴露于 X 射线）被用于开发用于研究和开发的生物分子模型；在 80 年代，核磁共振 (NMR) 光谱也用于此目的。然而，这两种技术的使用都受到生物分子性质的限制。 X 射线晶体学需要组织良好的晶体——生物分子通常从不组织成晶体。 NMR 仅适用于相对较小的一组蛋白质。
2017 年的获奖者采用了三种不同的方法共同克服了这些挑战，正如诺贝尔委员会所说，将生物化学带入了一个新时代，使捕捉生物分子的图像比以往任何时候都更加容易。
X 射线晶体学到电子显微镜
理查德·亨德森 (Richard Henderson) 放弃了 X 射线晶体学，转而使用透射电子显微镜对蛋白质进行成像——在透射电子显微镜中，一束细电子束穿过样品而不是光。然而，虽然电子显微镜可以很好地获得例如膜蛋白的原子结构，但高分辨率图像所需的强电子束会烧毁生物材料。光束强度的降低意味着对比度的显着损失，图像变得模糊。
此外，电子显微镜对真空的要求意味着生物分子会随着周围水分的蒸发而退化。
亨德森使用细菌视紫红质，一种嵌入光合作用生物膜中的紫色蛋白质。为了防止它被烧毁，他将敏感的蛋白质留在了膜中，并用较弱的电子束穿过样品。在电子显微镜下从同一膜的许多不同角度拍摄照片，以生成细菌视紫红质结构的粗略 3D 模型。
那是在 1975 年。随着电子显微镜的发展以及更好的镜头和冷冻技术的发展（用液氮将样品冷却到大约 190 摄氏度以保护它们免受电子束的影响），他的技术在 1990 年成功实现了，原子分辨率的细菌视紫红质结构。
二维电子显微图像的数学图像处理
同样在 1975 年，约阿希姆·弗兰克 (Joachim Frank) 准备了一种理论策略，将来自电子显微镜的二维图像中携带的任何信息合并在一起，以生成高分辨率的三维整体。他的数学方法筛选 2D 图像以识别重复出现的模式，并将它们分类以合并它们的信息，从而生成更清晰的图像。该模型有助于避免由于用于生物分子的电子束较弱而产生的不太清晰的图像。用于图像分析的数学工具被编译为计算机程序套装。
准备样品
Jacques Dubochet 解决了确保生物分子样品不会脱水，并且不会在电子束下的冷冻电镜成像真空中坍塌的核心挑战。
这个问题的自然解决方案是冷冻样品。由于冰的蒸发速度比水慢，所以它应该有效。然而，当电子束通过水晶体衍射时，结晶水模糊了图像。
Dubochet 通过快速冷却解决了这个问题，不允许水分子排列成结晶形式；相反，它们变成了玻璃化的水，可以作为电子束的玻璃。他的研究开发了一种样品制备技术，其中生物分子被玻璃化水屏蔽。该技术用于冷冻电镜。
最新用途
最新的技术发展，例如在电子显微镜中引入新的电子探测器——直接电子探测器——有助于进一步提高在近光冷冻电镜下捕获的生物分子图像的分辨率。 2012-13 年在电子显微镜中引入直接电子探测器对科学家来说是一个强大的工具，因为他们遇到了挑战 寨卡病毒 2015-16 年间在各国迅速传播的病毒。
雅克·杜波切特
1942年出生于瑞士艾格勒。他于 1973 年在日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学获得博士学位。他是瑞士洛桑大学生物物理学名誉教授。
约基姆·弗兰克
1940年出生于德国锡根。他于 1970 年在德国慕尼黑工业大学获得博士学位。他是美国哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学以及生物科学教授。
理查德·亨德森
1945年出生于苏格兰爱丁堡。 1969年在英国剑桥大学获得博士学位。他是剑桥大学 MRC 分子生物学实验室项目负责人。
2016 年获奖者： JEAN-PIERRE SAUVAGE、SIR J FRASER STODDART 和 BERNARD L FERINGA，以表彰他们开发了由移动分子制成的纳米机器，这些机器最终可能用于制造新材料、传感器和能量存储系统。
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