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「本文来源：学习时报」对于宏观世界的构造，诸如对宇宙的认知，我们可以通过天文望远镜或者飞行器进行观测，但是对于微观世界，长期以来除了显微镜之外并没有更好的办法去了解微观世界里原子、分子的结构。到19世纪末，科学家们已经将光学显微镜的性能基本上发挥到了理论极限，以至于测定光学仪器分辨率物理极限之一的科学家恩斯特·卡尔·阿贝都不禁感叹：人类的创造性已基本没有希望找到新的方法和途径来克服这个极限了。由此也激发了人类对包括生物学在内的微观世界的探索。试想，作为细胞基础的蛋白质，科学家们只能看到一个模糊的斑点，不了解其结构就难以解析其功能产生的机理。不过这一僵局被冷冻电镜所打破。作为一项颠覆性新技术，冷冻电镜可以让科学家看到许多悬而未决问题的背后机理。而这一新工具的大规模应用已经为结构生物学的发展带来了新的研究范式：从平面到立体的跃迁。何谓“冷冻电镜” 　　冷冻电镜是电子显微镜技术的衍生技术，其工作原理是将蛋白质保存在非常薄的液体层中，然后将它们冷冻。通过电子枪以光速发射电子穿过样本，然后一个专门设计的相机捕获电子以形成图像。冷冻电镜技术的发展始于年代，雅克·杜波切教授与其小组在欧洲分子生物学实验室通过将样本水溶液施加到网格上并在液态乙烷或者丙烷下将样本快速冷冻，于年末两位科学家阿拉斯代尔·麦克道威尔和雅克·杜波切首次报告了冷冻电镜成功观测到的结果，并最终掌握了冷冻方法。与此同时，约阿希姆·弗兰克教授与其研究小组则为冷冻电镜的三维重构技术奠定了基础。此后，杜波切的研究小组通过对玻璃化胰腺病毒2型、T4噬菌体等的分析，证明了冷冻电镜在结构生物学中的作用。冷冻电镜有两项强大功能，一是“万物皆可冻”，只要有需求，不论是生物组织、还是病毒、大分子等都可以通过冷冻电镜观察样本；二是通过冷冻电镜的三维重构可以很好地观察到样本的结构信息。不过，碍于样本制作技术以及冷冻电镜分辨率低等原因，导致冷冻电镜技术发展出现放缓的迹象。 　　进入21世纪以来，随着计算机技术和硬件设备的突破，制作出了更为灵敏的电子显微镜和更加复杂的软件，它们可以捕获更加清晰的分子结构，由此解决了冷冻电镜分辨率低的困境。年，加州大学旧金山分校的程亦凡教授和合作者利用冷冻电镜技术实现了对膜蛋白结构的近原子级解析，这一工作曾被认为是冷冻电镜难以逾越的障碍，开启了冷冻电镜的新时代。通过冷冻电镜，一方面科学家可以观察到那些十分松散或者不停摆动、难以排成晶体并且很难被X射线拍摄到的蛋白质结构，另一方面，让科学家有机会观察到细胞体的结构，使科学家能够获得不同蛋白质的原子结构与分辨率，同时了解它们如何穿透细菌的细胞壁。冷冻电镜在微观领域的突破也让雅克·杜波切、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森三位深耕冷冻电镜技术的科学家共同获得年的诺贝尔化学奖。 　　“冷冻电镜”的前景与困境 　　正如亨德森教授所坚信的那样，随着软硬件技术的发展，冷冻电镜一定会成为“常规的、快速的、可以获得更多非常困难的样本结构的技术手段”。不过对此前景，他预计冷冻电镜技术发展依然不会太快，一个重要的影响因素便是其高昂的成本，一台冷冻电镜设备的成本可能超过万美元，每天的运行成本也是数千美元起步，并且还需要专门的实验室来最大限度保障数据的准确性，这也注定了能够运营这套设备的实验室还是少数。但是亨德森教授认为，“到年，冷冻电镜确定的蛋白质结构数量将会超过X射线晶体衍射学的结果。科学家特别感兴趣的一类蛋白质——嵌入细胞膜中的蛋白质，冷冻电镜已经取代了X射线晶体学。”许多这样的膜结合蛋白质都与疾病相关，科学家通过观察其结构可以用它们充当药物的靶标，为新药研制提供方向。因此科学家们正在游说冷冻电镜的制造商研发更加便宜的产品，以进一步普及该设备。从历史上看，冷冻电镜推广缓慢的原因是这项工作操作技术难度较大，个体的技能与设备状态以及实验人员的操作都会影响实验结果。如今，冷冻电镜工作流程中许多步骤都已经自动化，显著提高了判断速度和易用性。 　　“冷冻电镜”在我国的发展 　　当前结构生物学已经进入冷冻电镜时代，科学家通过冷冻电镜不仅可以在3D中看到蛋白质的结构，还加深了我们对生物结构的理解与认知。中国自年清华大学购入第一台冷冻电镜后，如今已经建立了以清华大学、南方科技大学领衔的世界领先的冷冻电镜实验室。经过10余年的发展，特别是近5年，中国已经拥有了超过50台各种型号的冷冻电镜，其中清华大学、南方科技大学、中科院、北京大学、复旦大学等多家高校与科研机构也都配备了高端的冷冻电镜。虽然我国的科学家通过冷冻电镜取得了令世界瞩目的科研成果，但是从电镜制造来看，中国尚无制造冷冻电镜设备的能力。纵观冷冻电镜设备的研发制造，涉及到材料、光学、生物、计算机科学、半导体、系统集成等多个学科技术领域，全世界能够生产冷冻电镜的制造商现在只有日本和荷兰的3个公司，其中荷兰的FEI公司已经被美国赛默飞世尔科技公司收购，而后者在冷冻电镜市场占有率一家独大，而且与冷冻电镜配套的相机设备制造商也主要是美国Gatan公司，换言之美国基本垄断了冷冻电镜制造市场。与此同时，中国在冷冻电镜人才方面也有待提升与完善，对于设备运行管理人才则更需要国家的专门培养。虽然我们在相关成果上取得了长足进步，但要清醒认识到，我们目前还没有办法生产冷冻电镜，这是否会成为下一个卡脖子技术？尚未可知，但任何设备未来都将会面临更新淘汰的问题，更新的出路在哪里？在这场冷冻电镜的“军备竞赛”中，不仅需要科研人员的原创性科研成果，也需要自立自强的技术设备制造能力的支持，而我国在这个领域还有很长的路要走。

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