十年探路：清華“魔鏡”解析生命奧秘
新華社北京4月21日電(記者全曉書 李宓 高蓓)生命離不開蛋白質(zhì)。如何使用和發(fā)展先進技術(shù)手段來觀測這些納米級別的小小世界，一直是科學界聚焦的前沿領(lǐng)域。
2011年，中國開始籌建國家蛋白質(zhì)科學研究設(shè)施，清華大學作為該設(shè)施的一個重要基地，在過去十年里建成了世界上領(lǐng)先的冷凍電子顯微鏡(以下簡稱“冷凍電鏡”)平臺。借助這一優(yōu)勢，中國科學家在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得了很多舉世矚目的成就。
比如，著名結(jié)構(gòu)生物學家施一公帶領(lǐng)團隊對細胞核內(nèi)負責遺傳的剪接體進行了一系列研究，成果連續(xù)登上國際頂級期刊；清華大學教授隋森芳帶領(lǐng)團隊將植物捕獲光能的蛋白質(zhì)復(fù)合體的重要結(jié)構(gòu)解析出來。
“人體里有幾十萬種不同的蛋白質(zhì)、核酸以及它們所形成的復(fù)合體，它們就像一臺臺很小的分子機器。如果能夠搞清楚它們由哪些零件組成，以及這些零件如何裝配，對于理解分子機器本身怎樣工作，以及如何維修故障機器都有重要意義�！鼻迦A冷凍電鏡平臺主要建設(shè)者、清華大學生命科學學院院長王宏偉說。
本世紀頭十年，冷凍電鏡還是一門不被看好的小眾技術(shù)。正是在這一時期，清華決定起步建設(shè)冷凍電鏡平臺，為中國生命科學的發(fā)展贏得了寶貴先機。
“現(xiàn)在看來，這是一個非常重要的決定，對于過去十年中國在冷凍電子顯微學這個領(lǐng)域處于世界較為領(lǐng)先的地位，發(fā)揮了十分重要的作用�！蓖鹾陚フf。
冷凍住生命的奧秘
上世紀三十年代，世界上第一臺電子顯微鏡問世，科學家自此可以觀察到細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，在觀察蛋白質(zhì)大分子等天然狀態(tài)的生物樣本時，電子顯微鏡卻無能為力。
王宏偉解釋說，生物樣品含水，但電子顯微鏡內(nèi)部一般為高真空狀態(tài)，生物樣品放置其中，水分會很快蒸發(fā)。“這就好比我們觀察木乃伊，看到的并不是人體的天然狀態(tài)�！�
上世紀七八十年代，科學家逐漸發(fā)展出冷凍電鏡技術(shù)，但離成熟應(yīng)用還有很大差距。結(jié)構(gòu)生物學家更多使用X射線晶體學，但問題是很多復(fù)雜大分子物質(zhì)難以獲得晶體。
過去十幾年，冷凍電鏡技術(shù)不斷進步，猶如向厚重的生命迷霧投下了一束光。2017年，三位發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)的科學家被授予諾貝爾化學獎。
“我們把生物大分子溶液滴在直徑只有3至4毫米的金屬載網(wǎng)上，形成一層非常薄的水膜，然后在毫秒之間把它冷凍到液氮溫度(-196℃以下)。因為速度非常快，生物樣本里的水分無法結(jié)晶，也來不及蒸發(fā)，而是形成一層薄冰。我們再把這樣的樣本保持低溫放置在電子顯微鏡下觀察，就可以獲得它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。”王宏偉說。
新冠疫情暴發(fā)以來，科學家們憑借冷凍電鏡技術(shù)對新冠病毒進行了一系列重構(gòu)和研究。比如，清華大學王新泉和張林琦團隊借助冷凍電鏡，解析出新冠病毒表面刺突蛋白受體結(jié)合區(qū)一些關(guān)鍵氨基酸位點的突變。
“根據(jù)這些位點突變，科研人員可以評估、改造或設(shè)計藥物和疫苗，使其特異性更強�！蓖鹾陚フf，服務(wù)現(xiàn)代生物制藥是冷凍電鏡技術(shù)發(fā)展的一個重要目標。
一輩子一次的機會
回憶起十年來回國建設(shè)冷凍電鏡平臺的經(jīng)歷，王宏偉感慨：自己所得一直超出期望。
2001年赴美做博士后，2009年成為耶魯大學助理教授并組建獨立實驗室，王宏偉原本可以沿著既定軌道早一步實現(xiàn)自己的學術(shù)夢想。2009年底，王宏偉回國探親，在母校清華遇到了時任清華大學生命科學與醫(yī)學研究院副院長施一公教授和自己的導(dǎo)師隋森芳院士，兩位邀請他回國建設(shè)一個世界頂級冷凍電鏡中心。
2009年，亞洲首臺冷凍電鏡在清華安裝落成，但這項技術(shù)的走向尚不明朗。西方同行甚至質(zhì)疑，冷凍電鏡設(shè)備未來有沒有人用？
“確確實實，我經(jīng)過認真的思考。一個世界頂級的冷凍電鏡中心，對我有很大的吸引力，可能是一輩子才有一次的機會�！边@位從1996年進入清華讀博就一直從事冷凍電鏡研究的科學家回憶說。
2011年，王宏偉辭去耶魯大學的工作，回到清華，從人員到設(shè)備，從頭籌備。
2014年，清華基地冷凍電鏡設(shè)備基本到位，中國一躍成為這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。更令王宏偉高興的是，恰恰就在這一時期，冷凍電鏡技術(shù)從硬件到軟件的多方面突破大大提升了這一技術(shù)的效率和精度。
在技術(shù)革新浪潮帶動下，清華冷凍電鏡平臺主管雷建林教授開發(fā)了一套數(shù)據(jù)自動收集軟件�！爸�，研究人員要坐在顯微鏡前一張一張手動去拍照片，每一張都要人工調(diào)好相關(guān)參數(shù)。一個項目收集一套數(shù)據(jù)，需要拍攝幾百到上千張照片，科研人員在顯微鏡前一坐就要好幾天�！蓖鹾陚フf。
“現(xiàn)在，只要花兩三個小時挑選樣品、設(shè)置參數(shù)，后邊的事情就可以全部交由計算機自動完成，不僅提高了效率，而且顯微鏡的穩(wěn)定性也更強�！彼f。
花時間磨自己的刀
目前，清華冷凍電鏡平臺共有十多臺設(shè)備，包括4臺300千伏的高端設(shè)備，所有設(shè)備24小時滿負荷運轉(zhuǎn)，每個月可以完成兩三百個項目的數(shù)據(jù)采集。
“即使這樣，還不足以滿足需求。我們面對的用戶從原來的結(jié)構(gòu)生物學領(lǐng)域拓展到細胞生物學、甚至神經(jīng)生物學領(lǐng)域，未來可能會有臨床醫(yī)生使用我們的設(shè)備。所以需求會越來越大�！蓖鹾陚フf。
清華冷凍電鏡平臺不僅面向國內(nèi)用戶，而且從建設(shè)之初就向全球開放。過去十年來已為來自美國、英國、日本和新加坡等世界各地的科研團隊提供服務(wù)。
“清華基地幾乎每年都會組織一到兩場面向全球的技術(shù)培訓(xùn)班或?qū)W術(shù)交流會，很多人通過我們的培訓(xùn)班和學術(shù)會議，對冷凍電鏡技術(shù)有了更多的了解，為建設(shè)他們自己的冷凍電鏡中心和更好地使用冷凍電鏡技術(shù)打下了很好的基礎(chǔ)�！蓖鹾陚フf。
不過，王宏偉很清楚，想要保持創(chuàng)新的優(yōu)勢和活力，僅靠增加幾臺設(shè)備是不行的，還需要克服一個重大短板——中國目前還沒有能力生產(chǎn)自己的冷凍電鏡設(shè)備。中國所有科研單位使用的冷凍電鏡設(shè)備，小到一個螺絲釘，大到最復(fù)雜的電子槍元件，全部來自國外廠家。
“這也是我們一直在思考的問題�！蓖鹾陚ブ赋�，他的團隊一直在研究開發(fā)原創(chuàng)性的冷凍電鏡技術(shù)和方法，包括創(chuàng)新型的儀器和設(shè)備。
中國“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要要求把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。
王宏偉認為，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的冷凍電鏡工具和方法，應(yīng)該成為下一步布局的重點�！耙郧埃覀儚膭e人那兒買刀，砍柴的成果很明顯�，F(xiàn)在，我們要花時間磨自己的刀，去砍更多的柴、更好的柴�！�(參與采寫：陳昊佺、吳夢)
