1.2 埃：这是该图像的分辨率。也就是说，它能显示的细节精度达 0.12 纳米，逼近最小的原子，即氢原子的直径！图中出现了去铁铁蛋白大分子中的碳、氧、氮等原子。在原子级分辨率冷冻电镜出现之前，这些细节只能通过 X 射线晶体学方法重建。
来源： 新发现杂志
研究人员头一回在一个分子内部以三维图像的形式直接捕获原子的模糊轮廓！实现了上述创举的冷冻电镜还有望揭开更多生物进程的奥秘。
这张照片得到了业内人士的一致赞赏。
我们可以看到，这是一个存在大量分支的球状物，上面装饰着去铁铁蛋白（血液中的铁转运蛋白）的大分子，甚至可以从中解析最小的原子——电子显微镜首次达到1.2埃（0.12纳米）的原子级分辨率！
“这是蛋白质显微结构研究领域的一个巨大飞跃。”巴黎综合理工学院生物化学家、电子显微镜专家皮埃尔-达米安·库勒（Pierre-Damien Coureux）欢呼道。德国马普生物物理化学研究所的霍尔格·施塔克（Holger Stark）是实现该突破的主角之一，他认为“提高分辨率的终极障碍已被克服”。
其实，人们早已“见过”原子了：1950年代起，X射线晶体学就实现了原子的可视化。然而，这只是一种间接方法：通过对X射线照射样品创建的衍射图像进行处理和解释，研究人员可重建样品的分子结构。
此外，该技术只能用于可形成晶体的化学物质的研究，也就是那些原子排列规则的固体——尽管大多数矿物（盐、水……）都满足此要求，但许多活性分子（例如蛋白质）却是不规则的。
最后，X射线晶体学的最大不足就是缺乏强制冷冻蛋白质的技术。
重现分子运动
然而，蛋白质分子的主要特征是“极易弯曲，始终处于运动状态”，雅克·杜博歇（Jacques Dubochet）评论道。
因发展了冷冻电镜技术，这位瑞士洛桑大学荣誉教授与美国哥伦比亚大学的约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）、英国剑桥大学的理查德·亨德森（Richard Henderson）荣膺2017年诺贝尔化学奖。
阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）
40年前，杜博歇在观察蛋白质的自然排列时发明了冷冻电镜。他找到了一种将蛋白质封入“玻璃态水”（低密度无定形冰）中而冻结其运动的方法：人们由此观察到了蛋白质与细胞质发生相互作用时的千姿百态。“如今，冷冻电镜的分辨率真的已经达到原子级。”这位已退休的研究人员自豪地总结道。
悬于低密度无定形冰中的 GroEL 蛋白。在水中纯化蛋白质，然后将一片穿孔的膜浸入该蛋白质溶液，从而使蛋白质在其孔隙中伸展并充分勾勒出自身结构。最后，将所有物质浸入 -182℃的液态乙烷中。快速的冷却过程使水以玻璃态凝结，如同一块保护性的脉石般包裹着蛋白质。
低温显微镜之所以必然是电子显微镜，是因为只有电子才能显示出原子的轮廓，而光学显微镜中的可见光会绕过原子导致无法显像。传统共聚焦显微镜使用的可见光只能分辨间距不短于自身半个波长的两个相邻点，因此充其量只能区分200纳米的细节。
然而，原子的大小在0.1到1埃之间，是传统光学显微镜分辨率的万分之一！波长短得多的电子束的尺寸能达到0.02埃。而电子显微镜的缺点在于，电子束带有负电荷，会与样品发生相互作用并切断有机分子键，从而降低成像效果！
这是电子显微镜的经典技术：向样品发射电子束，电子束透过样品照射到闪烁体探测器上并发出光子，继而被 CCD 相机检测到。然而2013 年，能够直接检测电子的新型照相机彻底改变了这一过程。
另外，电子也非常敏感，任何干扰都会影响其运动。因此，只有当研究对象是纯净的化学物质且处于真空环境中，电子显微镜才能得到准确的图像。然而在真空环境中，蛋白质会被破坏。
因此迄今为止，蛋白质的透射电子显微镜图像一直都类似于半融化的蜡雕。长期以来，上述研究一直被批评者嘲讽为“斑点学”！
所幸近年来，难题已被一一解决：杜博歇将蛋白质固定在玻璃态水中的方法进行改进，可以防止蛋白质被电子和真空破坏；极细电子束的开发进一步减少了蛋白质的损坏，超精确相机实现了单电子探测，若干新算法还校正了光学像差和其他畸变。
更重要的是，如今超级计算机的强大性能可以对收集于单个样本的成千上万张图像进行合成，从而展现出无与伦比的精确度。
要看清原子，仅靠一张照片是不够的：相机从数百个角度记录下数千张图像来获取三维结构，并且记录了样品中成千上万的分子。将所有数据合成单幅图像需要数周的计算。最重要的是，还需要一种基于化学结构和化学键排列方向概率的强大算法，来提高图像精度。如今，这些程序甚至能够区分样品分子采用的各种构象
水到渠成。2020年5月，马普研究所霍尔格·施塔克团队，以及剑桥大学MRC分子生物学实验室的舍尔斯·谢雷斯（Sjors Scheres）和拉杜·阿里切斯库（Radu Aricescu）团队于同一天宣布实现了原子级分辨率。
这是人类首次分辨出分子中的原子！无巧不成书，这两个团队研究的是同一个大分子，即去铁铁蛋白。对致力于将冷冻电镜分辨率推向极限的结构生物学家来说，这种将铁转运到血红蛋白的蛋白质确实是一种理想的试验品。
“这是一个非常稳定且对称的大分子。”舍尔斯·谢雷斯解释说，“我们甚至通过冷冻电镜看到了单个氢原子。”
“几年来，我们对化学物质的感知已经从显示化学物质的大概形态，发展到了原子级别的观察。”皮埃尔-达米安·库勒描述道，“这改变了生物学的一切。”
事实上，生命的活动建立于原子间的精妙相互作用：异性电荷相吸，同性电荷相斥，蛋白质像多极化的磁体一样与受体结合。由此实现了诸如神经元之间的信息传递，病毒入侵细胞，药物阻断有害效应……
核糖体的完整翻译过程
“今后我们将能看到在活体环境中的蛋白质，观察它们在与受体相互作用时是如何改变构象的。”瑞士巴塞尔大学的菲利普·兰格莱（Philippe Ringler）兴奋地表示，他正目睹冷冻电镜势不可挡的浪潮，“许多晶体学家在接受冷冻电镜的操作培训，而各所大学也开始逐步配备强大的成像设备。”
微管是如何在细胞内转运元素的？核糖体（上图）是如何翻译基因组的？线粒体是如何吞吐维持其机能所需的物质的？今后，生物学家将借助电镜看到运转中的细胞工厂。
得益于该技术，2020年7月，美国马萨诸塞大学的一个团队从基因组的编码入手，准确地描绘出细胞内蛋白质是如何“编织”在一起的。
在冷冻电镜下放置了一些核糖体后，研究人员观察到，这些由蛋白质和RNA组成的结构通过折叠成精确的构型，形成若干空腔并在腔内插入了不同的部件：确保准确翻译的基因组片段，以及将要组装的蛋白质载体。随着翻译的进行，这些部件从一个腔传递到另一个腔。在前所未有的精度下，整个过程宛如一场由众多分子共同扭动的芭蕾舞！
除此以外，还有更多利用冷冻电镜原子级分辨率的研究正在开展中。例如，通过识别出最适合嵌入受体的分子来加速药物或疫苗的开发。在鉴别出COVID-19后的头一个月，数十个团队就制取了若干该病毒的冷冻电镜图像来观察其表面的分子，从而了解其附着在人类细胞中的具体位置。
随后，这些图像可以帮助研究人员更快地识别出能够阻止病毒附着、预防感染的候选药物。还有研究试图通过观察神经递质附着在膜受体上的过程，将神经信号在神经元间传递的过程可视化。
这样一来就可以制造出针对癫痫、疼痛或戒断发作的靶向药物。还有的研究希望能够解释在阿尔茨海默病患者的大脑中积聚的斑块（参见下方图示）……
阿尔茨海默病是由大脑中的淀粉样沉积物所引起的，这些淀粉样斑块由蛋白质块组成。解密其与脑细胞的相互作用以及它们在脑中的蔓延方式或许会开发新的治疗途径。
这只是冷冻电镜原子革命的开始，却也可以认为是一个完美的结束，因为该技术的分辨率几乎无法再提高了。“我认为冷冻电镜的分辨率能达到1.1甚至1埃。”舍尔斯·谢雷斯预测道，“不过为此纠正像差需要处理海量的数据。”
目前，研究人员的目标是将原子级分辨率扩展到比去铁铁蛋白更复杂的分子。2020年初，冷冻电镜三维分子结构数据库已建档10000组数据。在理查德·亨德森看来，到2024年，冷冻电镜技术产生的研究数据或许会比X射线晶体学更多。
化学和生物学领域的一个全新局面正徐徐打开。
撰文 Anne Debroise
编译 周玉府
