作者:全晓书 李宓 高蓓 来源:新华网 发布时间:2021/4/22 10:06:06
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十年探路:清华“魔镜”解析生命奥秘

 

新华社北京4月21日电(记者全晓书 李宓 高蓓)生命离不开蛋白质。如何使用和发展先进技术手段来观测这些纳米级别的小小世界,一直是科学界聚焦的前沿领域。

2011年,中国开始筹建国家蛋白质科学研究设施,清华大学作为该设施的一个重要基地,在过去十年里建成了世界上领先的冷冻电子显微镜(以下简称“冷冻电镜”)平台。借助这一优势,中国科学家在蛋白质结构研究领域取得了很多举世瞩目的成就。

比如,著名结构生物学家施一公带领团队对细胞核内负责遗传的剪接体进行了一系列研究,成果连续登上国际顶级期刊;清华大学教授隋森芳带领团队将植物捕获光能的蛋白质复合体的重要结构解析出来。

“人体里有几十万种不同的蛋白质、核酸以及它们所形成的复合体,它们就像一台台很小的分子机器。如果能够搞清楚它们由哪些零件组成,以及这些零件如何装配,对于理解分子机器本身怎样工作,以及如何维修故障机器都有重要意义。”清华冷冻电镜平台主要建设者、清华大学生命科学学院院长王宏伟说。

本世纪头十年,冷冻电镜还是一门不被看好的小众技术。正是在这一时期,清华决定起步建设冷冻电镜平台,为中国生命科学的发展赢得了宝贵先机。

“现在看来,这是一个非常重要的决定,对于过去十年中国在冷冻电子显微学这个领域处于世界较为领先的地位,发挥了十分重要的作用。”王宏伟说。

冷冻住生命的奥秘

上世纪三十年代,世界上第一台电子显微镜问世,科学家自此可以观察到细胞内部结构。然而,在观察蛋白质大分子等天然状态的生物样本时,电子显微镜却无能为力。

王宏伟解释说,生物样品含水,但电子显微镜内部一般为高真空状态,生物样品放置其中,水分会很快蒸发。“这就好比我们观察木乃伊,看到的并不是人体的天然状态。”

上世纪七八十年代,科学家逐渐发展出冷冻电镜技术,但离成熟应用还有很大差距。结构生物学家更多使用X射线晶体学,但问题是很多复杂大分子物质难以获得晶体。

过去十几年,冷冻电镜技术不断进步,犹如向厚重的生命迷雾投下了一束光。2017年,三位发展冷冻电镜技术的科学家被授予诺贝尔化学奖。

“我们把生物大分子溶液滴在直径只有3至4毫米的金属载网上,形成一层非常薄的水膜,然后在毫秒之间把它冷冻到液氮温度(-196℃以下)。因为速度非常快,生物样本里的水分无法结晶,也来不及蒸发,而是形成一层薄冰。我们再把这样的样本保持低温放置在电子显微镜下观察,就可以获得它们的内部结构了。”王宏伟说。

新冠疫情暴发以来,科学家们凭借冷冻电镜技术对新冠病毒进行了一系列重构和研究。比如,清华大学王新泉和张林琦团队借助冷冻电镜,解析出新冠病毒表面刺突蛋白受体结合区一些关键氨基酸位点的突变。

“根据这些位点突变,科研人员可以评估、改造或设计药物和疫苗,使其特异性更强。”王宏伟说,服务现代生物制药是冷冻电镜技术发展的一个重要目标。

一辈子一次的机会

回忆起十年来回国建设冷冻电镜平台的经历,王宏伟感慨:自己所得一直超出期望。

2001年赴美做博士后,2009年成为耶鲁大学助理教授并组建独立实验室,王宏伟原本可以沿着既定轨道早一步实现自己的学术梦想。2009年底,王宏伟回国探亲,在母校清华遇到了时任清华大学生命科学与医学研究院副院长施一公教授和自己的导师隋森芳院士,两位邀请他回国建设一个世界顶级冷冻电镜中心。

2009年,亚洲首台冷冻电镜在清华安装落成,但这项技术的走向尚不明朗。西方同行甚至质疑,冷冻电镜设备未来有没有人用?

“确确实实,我经过认真的思考。一个世界顶级的冷冻电镜中心,对我有很大的吸引力,可能是一辈子才有一次的机会。”这位从1996年进入清华读博就一直从事冷冻电镜研究的科学家回忆说。

2011年,王宏伟辞去耶鲁大学的工作,回到清华,从人员到设备,从头筹备。

2014年,清华基地冷冻电镜设备基本到位,中国一跃成为这一领域的领头羊。更令王宏伟高兴的是,恰恰就在这一时期,冷冻电镜技术从硬件到软件的多方面突破大大提升了这一技术的效率和精度。

在技术革新浪潮带动下,清华冷冻电镜平台主管雷建林教授开发了一套数据自动收集软件。“之前,研究人员要坐在显微镜前一张一张手动去拍照片,每一张都要人工调好相关参数。一个项目收集一套数据,需要拍摄几百到上千张照片,科研人员在显微镜前一坐就要好几天。”王宏伟说。

“现在,只要花两三个小时挑选样品、设置参数,后边的事情就可以全部交由计算机自动完成,不仅提高了效率,而且显微镜的稳定性也更强。”他说。

花时间磨自己的刀

目前,清华冷冻电镜平台共有十多台设备,包括4台300千伏的高端设备,所有设备24小时满负荷运转,每个月可以完成两三百个项目的数据采集。

“即使这样,还不足以满足需求。我们面对的用户从原来的结构生物学领域拓展到细胞生物学、甚至神经生物学领域,未来可能会有临床医生使用我们的设备。所以需求会越来越大。”王宏伟说。

清华冷冻电镜平台不仅面向国内用户,而且从建设之初就向全球开放。过去十年来已为来自美国、英国、日本和新加坡等世界各地的科研团队提供服务。

“清华基地几乎每年都会组织一到两场面向全球的技术培训班或学术交流会,很多人通过我们的培训班和学术会议,对冷冻电镜技术有了更多的了解,为建设他们自己的冷冻电镜中心和更好地使用冷冻电镜技术打下了很好的基础。”王宏伟说。

不过,王宏伟很清楚,想要保持创新的优势和活力,仅靠增加几台设备是不行的,还需要克服一个重大短板——中国目前还没有能力生产自己的冷冻电镜设备。中国所有科研单位使用的冷冻电镜设备,小到一个螺丝钉,大到最复杂的电子元件,全部来自国外厂家。

“这也是我们一直在思考的问题。”王宏伟指出,他的团队一直在研究开发原创性的冷冻电镜技术和方法,包括创新型的仪器和设备。

中国“十四五”规划和2035年远景目标纲要要求把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。

王宏伟认为,研发具有自主知识产权的冷冻电镜工具和方法,应该成为下一步布局的重点。“以前,我们从别人那儿买刀,砍柴的成果很明显。现在,我们要花时间磨自己的刀,去砍更多的柴、更好的柴。”(参与采写:陈昊佺、吴梦)

 
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