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manbet手机版雅克Dubochetmanbet手机版，manbet手机版约阿希姆·弗兰克manbet手机版而且manbet手机版理查德·亨德森manbet手机版被授予2017年诺贝尔化狗万世界杯学奖，因为他们开发了一种生成生命分子三维图像的有效方法。manbet手机版利用冷冻电子显微镜，研究人员现在可以在运动中冷冻生物分子，并以原子分辨率描绘它们。manbet手机版这项技术使生物化学进入了一个新时代。

manbet手机版在过去的几年里，许多令人惊讶的生命分子机制结构充斥着科学文献(图1):沙门氏菌攻击细胞的注射针;manbet手机版对化疗和抗生素具有耐药性的蛋白质;manbet手机版控制昼夜节律的分子复合体;manbet手机版用于光合作用的光捕捉反应复合体和能让我们听到声音的压力传感器。manbet手机版这些只是目前使用低温电子显微镜(cryo-EM)成像的数百种生物分子中的几个例子。

manbet手机版当研究人员开始怀疑寨卡病毒是导致巴西新生儿脑损伤流行的原因时，他们求助于低温电子显微镜来观察病毒。manbet手机版几个月后，以原子分辨率生成了该病毒的三维图像，研究人员可以开始寻找药物的潜在靶点。

manbet手机版雅克·杜波切特、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森取得了突破性的发现，使低温电子显微镜得以发展。manbet手机版这种方法使生物化学进入了一个新时代，使捕捉生物分子的图像比以往任何时候都更容易。

manbet手机版图片——知识的重要钥匙

manbet手机版在二十世纪上半叶，生物分子——蛋白质、DNA和RNA——是生物化学地图上的未知领域。manbet手机版科学家们知道它们在细胞中起着重要作用，但不知道它们长什么样。manbet手机版直到20世纪50年代，当剑桥大学的研究人员开始将蛋白质晶体暴露在x射线束下时，才首次有可能看到它们波浪状和螺旋状的结构。

manbet手机版在20世纪80年代早期，x射线晶体学的使用与核磁共振(NMR)光谱学的使用相补充，用于研究固态和溶液中的蛋白质。manbet手机版这项技术不仅揭示了它们的结构，还揭示了它们如何移动以及如何与其他分子相互作用。

manbet手机版多亏了这两种方法，现在有了包含数千个生物分子模型的数据库，这些模型被用于从基础研究到药物开发的各个领域。manbet手机版然而，这两种方法都有基本的局限性。manbet手机版溶液中的核磁共振只适用于相对较小的蛋白质。manbet手机版x射线晶体学要求分子形成组织良好的晶体，例如当水结冰时。manbet手机版这些图像就像早期相机拍摄的黑白肖像——它们僵硬的姿势几乎无法揭示蛋白质的动态。

manbet手机版此外，许多分子不能在晶体中排列自己，这导致理查德·亨德森在20世纪70年代放弃了x射线晶体学——这就是2017年诺贝尔化学奖的故事开始的地方。

manbet手机版晶体的问题使亨德森改变了研究方向

manbet手机版理查德·亨德森在英国剑桥获得了x射线晶体学的博士学位。manbet手机版他用这种方法成像蛋白质，但当他试图将自然嵌入细胞周围膜中的蛋白质结晶化时，出现了挫折。

manbet手机版膜蛋白很难管理。manbet手机版当它们被从它们的自然环境(膜)中移除时，它们经常聚集成一团无用的东西。manbet手机版理查德·亨德森研究的第一种膜蛋白很难生产出足够的量;manbet手机版第二个没有具体化。manbet手机版在多年的失望之后，他转向了唯一可行的选择:电子显微镜。

manbet手机版电子显微镜在当时是否真的是一种选择还有待讨论。manbet手机版这种技术被称为透射电子显微镜，其工作原理或多或少与普通显微镜相似，但它是一束电子而不是光穿过样品。manbet手机版电子的波长比光的波长短得多，因此电子显微镜可以使非常小的结构可见——甚至可以看到单个原子的位置。

manbet手机版理论上，电子显微镜的分辨率足以让亨德森获得膜蛋白的原子结构，但实际上这个项目几乎是不可能的。manbet手机版当电子显微镜在20世纪30年代发明时，科学家们认为它只适合研究死物质。manbet手机版获得高分辨率图像所必需的强电子束会烧毁生物材料，如果电子束减弱，图像就会失去对比度，变得模糊。

manbet手机版此外，电子显微镜需要真空，在这种条件下，由于周围的水蒸发，生物分子会恶化。manbet手机版当生物分子干枯时，它们就会崩溃，失去其自然结构，使图像失去作用。

manbet手机版几乎所有的迹象都表明理查德·亨德森会失败，但他选择研究的特殊蛋白质挽救了这个项目:菌视紫红质。

manbet手机版迄今为止最好的成绩对亨德森来说还不够好

manbet手机版菌视紫红质是一种紫色的蛋白质，它嵌入在进行光合作用的生物体的细胞膜中，从太阳光中获取能量。manbet手机版理查德·亨德森(Richard Henderson)之前试图将敏感蛋白从膜上移除，但他和他的同事并没有这样做，而是将完整的紫色膜置于电子显微镜下。manbet手机版当蛋白质被膜包围时，它就保持了它的结构;manbet手机版他们用葡萄糖溶液覆盖样品表面，以防止样品在真空中变干。

manbet手机版强烈的电子束是一个主要问题，但研究人员利用了细菌视紫红质分子在生物体膜中的排列方式。manbet手机版他们用一种较弱的电子流穿过样品，而不是用全剂量的电子轰击它。manbet手机版图像的对比度很差，他们无法看到单个的分子，但他们利用了蛋白质是有规律地排列的，并且方向相同的事实。manbet手机版当所有的蛋白质以几乎相同的方式使电子束衍射时，他们能够根据衍射图样计算出更详细的图像——他们使用了与x射线晶体学中使用的类似的数学方法。

manbet手机版下一阶段，研究人员将薄膜置于电子显微镜下，从不同角度拍照。manbet手机版通过这种方法，1975年就有可能制作出菌视紫红质结构的粗略3D模型(图2)，该模型显示了蛋白质链是如何在膜中摆动七次的。

manbet手机版这是用电子显微镜拍摄的最好的蛋白质照片。manbet手机版许多人对这个7 Ångström(0.0000007毫米)的分辨率印象深刻，但这对理查德·亨德森来说还不够。manbet手机版他的目标是达到与x射线晶体学提供的相同的分辨率，大约3 Ångström，他确信电子显微镜可以提供更多的分辨率。

manbet手机版亨德森制作了第一幅原子分辨率的图像

manbet手机版在接下来的几年里，电子显微镜技术逐渐得到改进。manbet手机版透镜越来越好，冷冻技术也得到了发展(我们将回到这个)，在测量过程中，样品被液氮冷却，以保护它们不被电子束损坏。

manbet手机版理查德·亨德森逐渐为菌视紫红质模型添加了更多细节。manbet手机版为了得到最清晰的图像，他使用了世界上最好的电子显微镜。manbet手机版他们各有缺点，但又相辅相成。manbet手机版最终，在1990年，也就是亨德森发表第一个模型15年后，他实现了他的目标，能够以原子分辨率呈现菌视紫红质的结构(图3)。

manbet手机版因此，他证明了低温电子显微镜可以提供与x射线晶体学生成的图像一样详细的图像，这是一个至关重要的里程碑。manbet手机版然而，这一进展是建立在一个例外的基础上的:蛋白质如何自然地在膜中有规律地排列自己。manbet手机版很少有其他蛋白质以这种方式自发地排列自己。manbet手机版问题是这个方法是否可以推广:可以

manbet手机版是否有可能使用电子显微镜生成蛋白质的高分辨率3D图像，这些蛋白质随机分散在样品中，并朝着不同的方向?manbet手机版理查德·亨德森(Richard Henderson)相信会是这样，而其他人则认为这是一个乌托邦。

manbet手机版在大西洋的另一边，纽约州卫生部的约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)长期以来一直致力于寻找解决这一问题的方法。manbet手机版1975年，他提出了一种理论策略，在电子显微镜的二维图像中发现的明显最小的信息可以合并成一个高分辨率的三维整体。manbet手机版他花了十多年的时间才实现这个想法。

manbet手机版弗兰克改进了图像分析

manbet手机版Joachim Frank的策略(图4)建立在计算机区分随机定位蛋白质的痕迹和模糊电子显微镜图像中的背景的基础上。manbet手机版他开发了一种数学方法，使计算机能够识别图像中不同的重复出现的模式。manbet手机版然后，计算机将相似的图案分类到同一组，并将这些图像中的信息合并，生成一个平均的、更清晰的图像。manbet手机版通过这种方法，他获得了许多高分辨率的二维图像，这些图像显示了相同的蛋白质，但角度不同。manbet手机版该软件的算法在1981年完成。

manbet手机版下一步是在数学上确定不同的二维图像之间的关系，并在此基础上创建一个3D图像。manbet手机版弗兰克在20世纪80年代中期发表了这部分图像分析方法，并用它生成了核糖体表面的模型，核糖体是在细胞内构建蛋白质的巨大分子机制。

manbet手机版Joachim Frank的图像处理方法是低温电磁发展的基础。manbet手机版现在我们回到几年前——1978年，就在弗兰克完善他的计算机程序的同时，雅克·杜波切特被招募到位于海德堡的欧洲分子生物学实验室，去解决电子显微镜的另一个基本问题:生物样品在真空环境下是如何变干和损坏的。

manbet手机版杜波切特用水制造玻璃

manbet手机版1975年，亨德森使用葡萄糖溶液来防止他的膜脱水，但这种方法对水溶性生物分子不起作用。manbet手机版其他研究人员曾试图冷冻样本，因为冰的蒸发速度比水慢，但冰晶对电子束的干扰太大，以至于图像毫无用处。

manbet手机版蒸发的水是一个主要的难题。manbet手机版然而，Jacques Dubochet看到了一个潜在的解决方案:快速冷却水，使其凝固成液体形式，形成玻璃而不是晶体。manbet手机版玻璃看起来是固体材料，但实际上是流体，因为它有无序的分子。

manbet手机版杜波谢意识到，如果他能让水形成玻璃——也被称为玻璃化水——电子束将均匀地衍射，并提供一个统一的背景。

manbet手机版最初，研究小组试图在-196°C的液氮中玻璃化微小水滴，但只有当他们用液氮冷却后的乙烷取代氮时才成功。manbet手机版在显微镜下，他们看到了一个以前从未见过的水滴。manbet手机版他们一开始以为是乙烷，但当液滴稍微变暖时，分子突然重新排列，形成了我们熟悉的冰晶结构。manbet手机版这是一场胜利——特别是在一些研究人员声称不可能将水滴玻璃化的情况下。manbet手机版我们现在相信玻璃化的水是宇宙中最常见的水。

manbet手机版一个简单的对比技巧

manbet手机版在1982年取得突破后，杜波切特的研究小组迅速发展了这项技术的基础，该技术至今仍在低温电子显微镜中使用(图5)。他们将生物样本——最初不同形式的病毒——溶解在水中。manbet手机版然后将溶液以薄膜的形式铺在细金属网上。manbet手机版他们使用弓形结构将网射入液态乙烷中，使水的薄膜玻璃化。

manbet手机版1984年，Jacques Dubochet发表了第一批不同病毒的图像，圆形和六角形的，在玻璃化的水背景下形成鲜明对比。manbet手机版生物材料现在可以相对容易地制备电子显微镜，研究人员很快就敲开杜波切特的门，学习这项新技术。

manbet手机版从水滴学到革命

manbet手机版因此，最重要的低温电子显微镜已经就位，但图像的分辨率仍然很低。manbet手机版1991年，当Joachim Frank用Dubochet的玻璃化方法制备核糖体并进行分析时

manbet手机版用他自己的软件，他得到了一个三维结构，分辨率为40 Å。manbet手机版这对电子显微镜来说是一个惊人的进步，但图像只显示了核糖体的轮廓。manbet手机版坦白地说，它看起来像一个斑点，图像甚至没有接近x射线晶体学的原子分辨率。

manbet手机版因为低温电子显微镜只能观察到不平整的表面，所以这种方法有时被称为“blobology”。manbet手机版然而，电子显微镜的每一个螺母和螺栓都逐渐得到优化，这在很大程度上要归功于理查德·亨德森(Richard Henderson)坚持他的设想:电子显微镜总有一天会常规地提供显示单个原子的图像。manbet手机版分辨率提高了，Ångström by Ångström，最后的技术障碍在2013年被克服，一种新型电子探测器投入使用(图6)。

manbet手机版每一个隐藏的角落都可以被探索

manbet手机版现在梦想变成了现实，我们正面临着生物化学的爆炸性发展。manbet手机版低温电镜之所以具有革命性，有很多好处:杜波切特的玻璃化方法相对容易使用，需要的样本数量也最少。manbet手机版由于快速冷却过程，生物分子可以在活动中被冻结，研究人员可以拍摄一系列图像，捕捉过程的不同部分。manbet手机版通过这种方式，他们可以制作“薄膜”，揭示蛋白质如何移动以及如何与其他分子相互作用。

manbet手机版使用低温电子显微镜，也比以往任何时候都更容易描述膜蛋白，它通常作为药物的靶点和大分子复合物。manbet手机版然而，小的蛋白质不能用电子显微镜来研究，但可以用核磁共振波谱学或x射线晶体学来观察。

manbet手机版1975年，约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)提出了他的通用图像处理方法的策略后，一位研究人员写道:“如果这些方法得到完善，那么，用一位科学家的话来说，天空将是极限。”

manbet手机版现在我们到了——天空是极限。manbet手机版雅克·杜波切特、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森通过他们的研究，给“人类带来了最大的利益”。manbet手机版细胞的每个角落都可以被捕捉到原子的细节，生物化学为令人兴奋的未来做好了准备。

manbet手机版链接和进一步阅读

manbet手机版有关今年奖项的其他信息，包括英文的科学背景，可在瑞典皇家科学院的网站上查阅，manbet手机版www.kva.semanbet手机版,在manbet手机版//www.dokicam.commanbet手机版．manbet手机版在那里，你可以观看新闻发布会、诺贝尔奖演讲等视频片段。manbet手机版有关诺贝尔奖及经济科学奖的展览及活动资料，请浏览以下网页狗万世界杯manbet手机版www.nobelmuseum.semanbet手机版．

manbet手机版文章

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manbet手机版www.embl.de aboutus /校友/新闻/ news_2015/20150709_dubochet /

manbet手机版视频

manbet手机版严肃科学(2017年6月20日)manbet手机版电子低温显微镜-理查德亨德森
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manbet手机版严肃科学(2017年8月22日)manbet手机版单粒子电子显微镜-理查德亨德森
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manbet手机版富兰克林研究所(2016年7月5日)manbet手机版Joachim Frank - 2014年富兰克林生命科学研究所奖得主
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manbet手机版雅克DUBOCHET
manbet手机版1942年生于瑞士伊格尔。manbet手机版1973年博士，日内瓦大学和巴塞尔大学，瑞士。
manbet手机版瑞士洛桑大学生物物理学名誉教授。
manbet手机版www.unil.ch迪/ en / home / menuinst /manbet手机版人/ honorary-professors / - jacques-dubochet.html教授

manbet手机版约阿希姆·弗兰克
manbet手机版1940年生于德国锡根。manbet手机版1970年，德国慕尼黑工业大学博士。manbet手机版美国纽约哥伦比亚大学生物化学、分子生物物理学和生物科学教授。
manbet手机版http://franklab.cpmc.columbia.edu/manbet手机版franklab /

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manbet手机版理查德·亨德森
manbet手机版1945年生于苏格兰爱丁堡。manbet手机版1969年，英国剑桥大学博士。manbet手机版英国剑桥MRC分子生物学实验室项目负责人。
manbet手机版www2.mrc-lmb.cam.ac.uk /团体/ rh15 /

manbet手机版用于开发用于测定溶液中生物分子高分辨率结构的低温电子显微镜

manbet手机版科学编辑manbet手机版:诺贝尔化学委员会的彼得·布热津斯基、冈纳尔·冯·海恩和萨拉·斯诺格鲁普·林斯
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manbet手机版翻译manbet手机版克莱尔:巴
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