诺贝尔化学奖揭晓，得奖的竟然是物理学家......

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北京时间10月4日下午5点45分，2017年诺贝尔化学奖揭晓，Jacques Dubochet, Joachim Frank和Richard Henderson获奖，获奖理由是“研发出冷冻电镜，用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定”（三位可都是生物物理学家！）。

Jacques Dubochet, born 1942 in Aigle, Switzerland. Ph.D. 1973, University of Geneva and University of Basel, Switzerland. Honorary Professor of Biophysics, University of Lausanne, Switzerland.

Joachim Frank, born 1940 in Siegen, Germany. Ph.D. 1970, Technical University of Munich, Germany. Professor of Biochemistry and Molecular Biophysics and of Biological Sciences, Columbia University, New York, USA.

Richard Henderson, born 1945 in Edinburgh, Scotland. Ph.D. 1969, Cambridge University, UK. Programme Leader, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK.

诺贝尔化学奖是以瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔的部分遗产作为基金创立的5个奖项之一，从1901年至2016年，共颁发了108次，拥有175位获奖者。

2007年-2016年的诺贝尔化学奖的获奖情况如下：

2007年：诺贝尔化学奖授予德国科学家格哈德·埃特尔，以表彰他在“固体表面化学过程”研究中作出的贡献。

2008年：美国Woods Hole海洋生物学实验室的下村修、哥伦比亚大学的Martin Chalfie和加州大学圣地亚哥分校的钱永健因发现并发展了绿色荧光蛋白(GFP)而获得该奖项。

2009年：英国生物学家万卡特拉曼·拉玛克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、美国科学家托马斯·斯泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列女生物学家约纳什(Ada E. Yonath)因在核糖体结构和功能研究中的贡献共同获该奖。

2010年：美国德拉威尔大学的Richard F. Heck、普渡大学的Ei-ichi Negishi以及日本仓敷艺术科学大学的Akira Suzuki，他们发明了新的连接碳原子的方法，获得2010年诺贝尔化学奖。

2011年：以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因准晶体的发现而获得2011年的诺贝尔化学奖。

2012年：美国科学家罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩·克比尔卡因“G蛋白偶联受体研究”获诺贝尔化学奖。

2013年：诺贝尔化学奖授予美国科学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒，以表彰他们在开发多尺度複杂化学系统模型方面所做的贡献。

2014年：诺贝尔化学奖授予了美国科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国科学家斯特凡·黑尔，以表彰他们为发展超分辨率荧光显微镜所作的贡献。

2015年：瑞典科学家托马斯·林达尔、美国科学家保罗·莫德里奇和土耳其科学家阿齐兹·桑贾尔因在DNA修复的细胞机制研究上的贡献而获得2015年的诺贝尔化学奖。

2016年：法国科学家让-彼埃尔·索瓦、美国科学家詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特和荷兰科学家伯纳德·费林加因分子机器的设计和合成而获得2016年的诺贝尔化学奖。

有意思的是，自1901年首次颁奖以来，诺贝尔化学奖被多次颁发给生物、生物化学、生物物理、物理等领域，可谓是“不务正业”。据统计，2001年至2016年，在已颁发的15个诺贝尔化学奖中，与生物相关的化学奖达10次之多。

什么是冷冻电镜技术？

 

20世纪80年代，Dubochet等人报道了一种单粒子电子显微镜技术革新成果，将该技术引向了高分辨率成像之路。他们在低温条件(cryogenic conditions)下将待检样品放在一层薄薄的、透明的冰上用单粒子电子显微镜进行成像观察。这种方法就是所谓的“低温冷冻电镜技术(cryo–electron microscopy, cryo-EM)”，他能够对含水的粒子(hydrated particles)进行直接成像。低温除了具有这些优势之外，还能够减少电子束对样品产生的放射性损害。不过电子束的照射量还是不能够太大，只有这样才能够清晰地反映出分子结构的细节，获得高质量的、低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)的三维结构图像。由于将每个分子的多张图像信息组合在一起能够更进一步地降低图像的信噪比，所以，对数万、乃至数百万个蛋白质复合体进行分析就会产生数十万张图像。

不过依靠低温冷冻电镜图像来判断生物大分子的结构给计算机处理分析工作带来了一大挑战。在借助多图像组合平均手段来改善信噪比时，必须知道每一颗粒子的方向，但是由于信噪比太低，我们对这些粒子方向的判断又明显感觉准确性不够，这就形成了一个矛盾。要解决这个问题，最成功的方法就是“重复(iterative)”，质量高的图像能够给出更准确的方向信息，而这些方向信息又可以帮助我们获得更高质量的图像。

在过去的三十年，低温冷冻电镜设备取得了长足的进展，在样品制备、成像、计算机处理等实验技术方面有了一定的提升，这些使低温冷冻电镜成像技术的分辨率有了极大的提高。高度连贯的场发射电子枪(Highly coherent feld-emission electron guns)也使保留焦点以外的图像的高分辨率信息成为可能，这对于单粒子低温冷冻电镜非常有帮助。这种技术创新帮助科研人员获得了20面体病毒粒子(icosahedral virus particles)的图像，而且清楚地看到了其中的α螺旋结构。由于这种病毒是高度对称的，所以比较容易生成高质量的、最佳分辨率的低温冷冻电镜图像。

随着研究人员不断地开发出更稳定的载物台、更好的显微镜抽真空技术，以及自动化的数据采集系统，这一切的技术进步都让我们能够获得更多、质量更好的电镜图像，因此才能够得到高质量的、能够对其中的氨基酸侧链进行解析的二十面体病毒粒子三维结构图像，以及分辨率达到5埃的核糖体结构图像。不过在对更小一点的非对称粒子的解析工作中还是很难解析到α螺旋结构。

最近在低温冷冻电镜设备领域取得的最大进展就是引入了直接检测设备(direct detector device, DDD)照相机。这种DDD设备能够直接在传感器上记录图像，从而绕过了传统的、需要闪烁设备和光纤的电荷耦合装置(charge-coupled device, CCD)探测器，以及其他一些在用摄影胶片(photographic film)记录图像时必须要经过的繁杂的处理过程。因此，图像的信噪比也得到了极大的提升。在分辨率方面的提升也与之前的一些革新手段相当。在使用了DDD设备之后，还有可能在电镜图像中直接构建原子模型，甚至能够在最具挑战性的检测工作中进行α螺旋和β折叠的解析工作。

DDD设备的引入还在另外一个方面对低温冷冻电镜的图像起到了改善作用，凭借的就是该设备极快的读出速度(readout rate)，该读出速度能够发现被冰包裹的被观测粒子在电子束中的运动情况。使用DDD设备不仅能够发现这种问题，还能够解决这种问题，因为现在的电镜就好像是一台摄像机，可以拍摄一段录影，记录整个过程，而不再像以前那样，只是一台照相机，只能够拍摄出一张张固定的图像。

有了高质量的图像，又有可以借助计算机对因为电子束而移位的粒子进行矫正的工具，我们就可以获得大量高质量的低温冷冻电镜图像，比如本文开头展示的那张分辨率高达3.2埃的线粒体核糖体亚单位图像，以及下图那张分辨率达到3.3埃的20S蛋白酶体图像和哺乳动物感受器通道TRPV1的图像。 TRPV1的图像尤其值得一提，因为TRPV1蛋白是一种膜蛋白，只有四级对称性(four-fold symmetry)，比核糖体要小一个数量级。所以之前大家一直都认为很难用低温冷冻电镜对该蛋白进行结构解析的研究工作。有了 DDD成像技术、更好的计算机辅助和生物化学技术之后，Liao等人终于在某些区域获得了分辨率高达3.4埃的图像，从而有机会开展原子建模工作，在整个结构生物学(structural biology)发展历史上写下了重重的一笔。