2017年若贝尔化学奖：低温电子显微镜技术

冷冻电子显微镜在生命科学中的应用生命科学是一个极其广泛的领域，人们耳熟能详的起源、发展、结构、功能、进化等等，都与生命科学有着密切关系。

其中，结构和功能是生命科学中最核心的问题之一，而冷冻电子显微镜则是研究生命科学结构和功能的重要手段之一。

冷冻电子显微镜（cryo-EM）是冷冻技术和电子显微技术的结合体，是研究生命科学结构和功能的关键工具之一。

在过去几十年中，随着技术的发展与革新，冷冻电子显微镜已经成为了研究生命科学结构和功能的重要手段。

冷冻电子显微镜的原理很简单，就是把生物样品制成冷冻样品，并在电子显微镜下观察，从而获得样品的高分辨率三维结构。

冷冻样品的准备需要时间和技能，通常需要用液态氮快速冷冻样品，以避免水分子结晶，从而保持生物结构的完整性。

冷冻电子显微镜在生命科学中的应用涉及许多方面，下面将对其在生物成像、病毒结构、蛋白质结构和电生理学中的应用进行介绍。

冷冻电子显微镜在生物成像中的应用冷冻电子显微镜在生物成像中有着广泛的应用，尤其是在膜蛋白复合物的成像方面。

膜蛋白复合物是生物体内非常重要的一类蛋白质，不仅存在于生物膜上，还存在于细胞内部。

冷冻电子显微镜可以用来研究这些复合物的结构和功能，有助于我们更好地理解生物体系的复杂性质。

例如，冷冻电子显微镜已经被用来研究离子通道和膜转运蛋白的结构。

离子通道是跨越细胞膜的蛋白质，控制着细胞内外的离子交换过程。

膜转运蛋白是控制小分子化合物进出细胞的重要蛋白质。

通过冷冻电子显微镜可以得到这些蛋白质的高分辨率结构，有助于我们更好地理解它们的功能和作用机制。

冷冻电子显微镜在病毒结构中的应用冷冻电子显微镜在研究病毒结构方面有着广泛的应用。

利用冷冻电子显微镜，我们可以获得病毒复合物的高分辨率结构，从而深入了解病毒的生物学特性和病毒的作用机理。

利用冷冻电子显微镜，研究人员已经成功地研究了多种病毒的结构，例如甲型流感病毒、肝炎病毒、人类免疫缺陷病毒（HIV）等等。

通过这些研究，我们可以深刻了解病毒的传播与感染机制，有助于我们寻找有效的治疗方法。

6获诺贝尔奖的显微镜技术在显微镜发明之前，人类对于世界的观察只局限于肉眼。

当列文虎克使用他自制的显微镜观察到细胞和微生物后，一个全新的微生物世界在人类眼前打开。

此后，恩斯特·鲁斯卡于1931年发明电子显微镜，使得人们能够直接在原子水平观察。

显微镜将人类视野带到了一个之前从未触及的微观世界，人类开始对自己和自己所处的这个世界有了更深入的认知。

显微镜技术一共获得过6次诺贝尔奖，三次获物理奖，三次获化学奖。

分别是：1953年的物理学奖颁给了相位差显微镜1953年的物理学奖“因论证相衬法，特别是发明相衬显微镜”授予了荷兰科学家弗里茨·塞尔尼克(Frits Zernike)。

在20世纪30年代，塞尔尼克在从事光学研究时，一次偶然的发现让他意识到不可见的光相位变化可以转变为可见的振幅变化，也就是理论上的相衬法，利用这种原理，他将传统的光学显微镜加入相位板制成了首台相衬显微镜。

相衬显微镜最大的优势就是可以观察活性透明物质。

当时的显微镜观察细胞时都需要染色，而染色会杀死细胞，塞尔尼克的相衬显微镜可直接观察到活细胞的内部结构，后来这种光学显微镜得到了广泛应用，成为生物学和医学研究中有的有力工具。

1982年的化学奖颁给了晶体电子显微技术1982年的化学奖授予英国科学家克卢格(AaronKlug)，奖励他发展了晶体电子显微技术，他把X-射线晶体学与电子显微镜的方法结合起来，观察到了病毒染色质中的DNA和蛋白质。

1986年的诺贝尔物理学奖颁给了电子显微镜和扫描隧道显微镜光学显微镜分辨能力有限(约0.2微米)，运用电子束成像的电子显微镜突破了光学分辨极限，电子显微镜的发明为人类观察微观世界开辟了新途径。

1986年的诺贝尔物理学奖就授予了设计第一台电子显微镜的鲁斯卡(Ernst Ruska)。

显微镜的发展历程还远未结束，1986年物理奖的另一半奖金分给了德国物理学家宾宁(Gerd Binnig)和瑞士物理学家罗雷尔(Heinrich Rohrer)，以表彰他们设计出隧道扫描显微镜(STM)。

聚……焦冷冻电镜热起来雅克•杜邦内特—2017年诺贝尔化学奖简介■谷第约阿希姆.弗兰克理查德•亨德森2017年度的诺贝尔化学奖授予了瑞士洛桑 大学科学家雅克•杜邦内特、美国哥伦比亚大学 科学家约阿希姆•弗兰克和英国剑桥大学科学家 理查德•亨德森，以表彰他们在开发可以用于研 究生物分子高分辨率结构的“冷冻电镜”技术 方面的杰出贡献。

说起电子显微镜，人们或许都不陌生，它 是一种分辨率比光学显微镜更高，可以看到光 学显微镜下看不到的微观世界的仪器。

那什么 是冷冻电镜呢？总不会是把电子显微镜冷冻起 来吧？这种冷冻电镜技术又为什么能够用于研 究生物分子的结构呢？3位科学家30多年前的研 究为什么直到现在才获得诺贝尔奖委员会的青 睐呢？下面就让我们一一揭开这些问题的答案。

“结构三剑客”毫无疑问，电子显微镜是科学家用来探索 微观世界的利器。

但微观世界也不是一概而论 的，在尺度上跨越了多个数量级。

通常说到生物学上的微观世界，人们想到 的大概会是各种寄生虫和细菌，大小从几百微 米直至几微米。

相比之下，头发丝直径大概是 不到100微米。

要想看清楚这样的微观结构，就 要借助光学显微镜。

最好的光学显微镜能够看 到细胞内部细胞器的结构，通过一些特殊技术 甚至能够看到单个的蛋白质分子。

说到物理学上的微观世界，人们想到的大 概就是分子和原子了。

要想“看”到单个的原 子，只有借助扫描隧道显微镜或是原子力显微 镜才行，但这些设备对观测样品的限制非常多，实际应用领域比较狭窄。

应用得更为广泛 的是电子显微镜，虽然它不能直接观测到单个 的原子，但是对于光学显微镜下的微观世界，电子显微镜能够提供更为清晰、分辨率更高、细节更为丰富的照片。

近一个世纪以来，生物学家也有了观察分 子级别，甚至是原子级别微观世界的需求。

再 复杂的细胞、细胞器也都是由各种生物分子，特别是蛋白质等生物大分子构成的，要研究这2017.11B百科知识\ 11聚.......焦些蛋白质的功能，最直接的方法就是“看到”它们的三维结构，也就是测定构成一个蛋白质 分子的成千上万个原子的三维坐标。

嗯，这是⼀篇关于冷冻电镜的⼲货！1、什么是冷冻电镜冷冻电⼦显微镜技术（cryo-electron microscopy）简称冷冻电镜。

冷冻电镜，是⽤于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电⼦束敏感的样品，如⽣物、⾼分⼦材料等。

样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷⾦/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放⼊电镜内的冷台（温度可⾄-185℃）即可进⾏观察。

冷冻电镜中的冷冻技术可以瞬间冷冻样品，并在冷冻状态下保持和转移，使样品最⼤限度保持原来性状，得出的数据更准确，实验成功率才更⾼。

2、冷冻电镜的分类⽬前我们讨论的冷冻电镜基本上指的是冷冻透射电⼦显微镜，但是如果我们可以使⽤冷冻技术的⾓度定义冷冻电镜的话，冷冻电镜主要可以分为冷冻透射电⼦显微镜、冷冻扫描电⼦显微镜、冷冻刻蚀电⼦显微镜。

2.1冷冻透射电⼦显微镜冷冻透射电镜（Cryo-TEM）通常在普通透射电镜上加装样品冷冻台，将样品冷却到液氮温度（77K）。

⽤于观测蛋⽩、⽣物切⽚等对温度敏感的样品。

通过对样品的冷冻，可以降低电⼦束对样品的损伤，减⼩样品的形变，从⽽得到真实的样品形貌。

⼀台冷冻透射电镜的价格在600万美元左右，价格及其昂贵，它的优点主要体现在以下⼏个⽅⾯：第⼀是加速电压⾼，电⼦穿透厚样品；第⼆是透镜多，光学性能好；第三是样品台稳定；第四是全⾃动，⾃动换液氮，⾃动换样品，⾃动维持清洁。

2.2冷冻扫描电⼦显微镜扫描电镜⼯作者都⾯临着⼀个不能回避的事实，就是所有⽣命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。

很多动植物组织的含⽔量达到98%，这是扫描电镜⼯作者最难对付的样品问题。

冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）技术是克服样品含⽔问题的⼀个快速、可靠和有效的⽅法。

这种技术还被⼴泛地⽤于观察⼀些“困难”样品，如那些对电⼦束敏感的具有不稳定性的样品。

各种⾼压模式如VP、LV和ESEM的出现，已允许扫描电镜观察未经冷冻和⼲燥的样品。

第一节细胞的结构和功能1．下图是“制作洋葱鳞片叶内表皮细胞临时装片”实验部分步骤，正确的操作顺序是（）A. ③④①②B.③④②① C．④③①② D．④③②①2．细胞内不同的结构具有不同的功能，下列结构与功能匹配错误的是（）A．细胞膜——控制物质进出细胞 B．细胞核——保护细胞内部结构C．线粒体——分解有机物，释放能量 D．叶绿体——将光能转变成化学能3. 下列实验操作及其目的的叙述，正确的是（）实验操作目的A 制作人口腔上皮细胞临时装片时，滴加清水保持细形态B 制作叶片横切面的临时切片，尽可能切得薄利于光线透过C 观察菜豆种子的结构，滴加碘液便于观察胚乳D 探究种子的呼吸作用，将气体通入澄清石灰水中探究呼吸作用消耗氧气4. 某同学在显微镜下观察一种细胞，它具有细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核和液泡。

这种细胞肯定不是（）A. 洋葱表皮细胞B. 酵母菌细胞C. 保卫细胞D. 口腔上皮细胞5.如图是植物细胞相关知识概念图，其中甲、乙表示结构，a、b表示功能。

下列说法错误的是（）C.刚收获的玉米种子堆积久了就会发热，与a有关D.把新鲜菠菜叶放入热水中，水变绿与b有关6.如图是制作临时装片时盖盖玻片的操作，正确的盖法是（）A. B. C. D.7.美西螈属于两栖动物，有黑白两种体色，科学家用美西螈做如右图所示实验。

请据图分析，控制美西螈体色的细胞结构主要是（）A.细胞壁B.细胞膜C.细胞质D.细胞核8. 2017诺贝尔化学奖授予研究发展冷冻电子显微镜技术方面的三位科学家。

显微镜的发明，使人类的认识进入到细胞水平，极大的促进了生物学的发展，下列有关显微镜使用或临时玻片制作叙述不正确的是（）A.制作洋葱鳞片叶表皮细胞临时装片时，应先在载玻片中央滴一滴清水B.转动粗准焦螺旋，使镜筒缓缓下降，此时眼睛应注视物镜C.制作人体口腔上皮细胞临时装片的顺序是：擦→滴→刮→涂→盖→染→吸D.欲将视野左下方物像移至视野中央，玻片应该向右上方移动9.右下图是制作人的口腔上皮细胞临时装片的部分步骤，下列相关的说法不正确的是（）A.①滴的液体是生理盐水B.②滴的是碘液C.③操作的目的是避免盖玻片下出现气泡D.实验操作的先后顺序是③→②→①10．2018年10月17日河南商丘一工厂发生火灾，现场作业的11名工作人员经抢救无效，不幸死亡，事后认领遇难者尸体过程中，用到了DNA鉴定。

2017-10-04北京时间10月4日17时45分许，2017年诺贝尔化学奖颁给雅克·杜波切特(Jacques Dubochet), 阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson)，表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术，以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。

图片来源：诺贝尔官网。

获奖人简介约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）德裔生物物理学家，现为哥伦比亚大学教授。

他因发明单粒子冷冻电镜（cryo-electron microscopy）而闻名，此外他对细菌和真核生物的核糖体结构和功能研究做出重要贡献。

弗兰克 2006 年入选为美国艺术与科学、美国国家科学院两院院士。

2014 年获得本杰明·富兰克林生命科学奖。

理查德·亨德森（Richard Henderson）苏格兰分子生物学家和生物物理学家，他是电子显微镜领域的开创者之一。

1975 年，他与 Nigel Unwin 通过电子显微镜研究AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF膜蛋白、细菌视紫红质，并由此揭示出膜蛋白具有良好的机构，可以发生α- 螺旋。

近年来，亨德森将注意力集中在单粒子电子显微镜上，即用冷冻电镜确定蛋白质的原子分辨率模型。

雅克·迪波什（Jacques Dubochet）， 1942 年生于瑞士，1973 年博士毕业于日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学，瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授。

Dubochet 博士领导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推广开来。

革命性的冷冻电镜技术细胞里面的生命活动井然有序，每一个部分都有其特定的结构，承担不同的功能。

生物大分子则是一切生命活动的最终执行者，它们主要是核酸和蛋白。

核酸携带了生命体的遗传信息，而蛋白是生命活动的主要执行者。

冷冻电镜技术在生命科学中的应用研究一、引言自从电子显微镜（EM）问世以来，就成为研究小微生物结构学中不可或缺的工具，通过EM技术可以看到微生物内部结构的三维形态。

但是传统的EM技术仅限于观察化学处理后的固定样品，无法直接观察活细胞内部的细节。

冷冻电镜技术（Cryo-EM）的问世使得科研人员可以不用进行任何化学处理，直接在冷冻状态下获取细胞样品的图像，为研究生命科学中的关键问题提供了新的解决方案。

二、冷冻电镜技术原理冷冻电镜技术利用极低温（-180°C以下）的环境将生物样品迅速冻结，并把冻结后的生物样品放进高分辨率电子显微镜中进行拍摄。

通过这种方法，不仅可以观察秀丽隐杆线虫、酵母菌、动物和人类的细胞组织，还可以研究病毒颗粒、蛋白质复合体等各种复杂的生物系统。

由于冷冻电镜技术不需要处理生物样品，因此能够快速捕捉复杂的生物系统中的关键细节信息，尤其是在呈现高分子生物分子互作的相关情况时，如蛋白质、RNA分子等。

三、冷冻电镜技术在生命科学领域的应用1. 蛋白质的结构分析蛋白质是生命体中重要的基本分子，其结构的研究具有重要意义。

在过去，通过X射线晶体学或核磁共振(NMR)技术，可以得到蛋白质的结构信息，但是这些方法需要样品通过化学处理实现结晶，处理过程可能会改变样品的本质。

冷冻电镜技术的出现解决了这个问题，不仅可以避免样品化学处理过程的影响，还可以获取其真实的三维结构。

目前，冷冻电镜技术已经被广泛用于蛋白质结构的研究。

例如，2017年美国科学家Joachim Frank，Jacques Dubochet和Richard Henderson获得诺贝尔化学奖的主要原因就是他们在冷冻电镜技术方面的开创性贡献。

2. 生物膜的研究生物膜是生物细胞的关键组成部分，通过膜中的蛋白质和小分子，实现的信息传递和通道的调节。

通过使用冷冻电镜技术，可以对生物膜的结构和组成进行研究。

例如，可以通过冷冻电镜技术确定通道蛋白在细胞膜中的位置和组成，这种方法已经用于研究一些重要的通道蛋白家族，如转运蛋白，细胞膜电位调节器等。