清華“魔鏡”為中國生命科學(xué)贏得寶貴先機(jī)

　　助力我國蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的清華大學(xué)冷凍電鏡平臺，揚(yáng)優(yōu)勢也在補(bǔ)短板

　　本報記者全曉書、李宓、高蓓

　　生命離不開蛋白質(zhì)。從調(diào)節(jié)生理功能的激素、參加營養(yǎng)代謝的酶，到輸送氧氣的血紅蛋白、抵抗疾病的抗體，都是以蛋白質(zhì)作為基本材料。如何使用和發(fā)展先進(jìn)的技術(shù)手段來觀測這些納米級別的小小世界，一直是科學(xué)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(xué)研究設(shè)施，清華大學(xué)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最大的冷凍電子顯微鏡(以下簡稱“冷凍電鏡”)平臺。借助這一優(yōu)勢，中國科學(xué)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，施一公團(tuán)隊對細(xì)胞核內(nèi)負(fù)責(zé)遺傳的剪接體進(jìn)行了一系列研究，成果連續(xù)登上國際頂級期刊；隋森芳院士團(tuán)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；楊茂君團(tuán)隊對線粒體呼吸鏈復(fù)合物的三維重構(gòu)為研究呼吸作用提供了新視角。

　　“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(jī)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(jī)器本身怎樣工作，以及如何維修故障機(jī)器，都有重要意義。”清華冷凍電鏡平臺主要建設(shè)者、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長王宏偉說。

　　盡管冷凍電鏡現(xiàn)在已成為蛋白質(zhì)研究的主流手段，但在本世紀(jì)頭十年里還是一門不被完全看好的小眾技術(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(xué)的發(fā)展贏得了寶貴先機(jī)。

　　“現(xiàn)在看來，這是一個非常重要的決定，對于過去十年我國在冷凍電子顯微學(xué)這個領(lǐng)域處于世界上較為領(lǐng)先的地位，發(fā)揮了十分重要的作用。”王宏偉說。

　　冷凍住生命的奧秘

　　上世紀(jì)三十年代，世界上第一臺電子顯微鏡問世，科學(xué)家自此可以觀察到細(xì)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)，其天然結(jié)構(gòu)就會隨之發(fā)生變化。“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(jì)七八十年代，科學(xué)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(xué)家更多使用X射線晶體學(xué)，但很多復(fù)雜大分子物質(zhì)難以獲得晶體，可借助這種方法進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)分析的生物樣品相對較少。

　　過去十幾年，冷凍電鏡技術(shù)不斷進(jìn)步，猶如向厚重的生命迷霧投下了一束光，其“近原子級別”的分辨率讓承擔(dān)生命活動的蛋白質(zhì)逐漸從“黑匣”中露出真容。

　　秘訣就在“冷凍”二字。“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。

　　2017年，三位發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)的科學(xué)家被授予諾貝爾化學(xué)獎，奠定了這一技術(shù)的主流地位。新冠疫情暴發(fā)以來，科學(xué)家們憑借冷凍電鏡技術(shù)對新冠病毒的一系列三維重構(gòu)，讓這一前沿技術(shù)更為大眾所了解。

　　清華大學(xué)王新泉和張林琦團(tuán)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，對于分析這些突變對新冠病毒毒性和感染能力的影響具有重要意義。

　　“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(qiáng)。長遠(yuǎn)來講，利用已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，科學(xué)家甚至有希望研發(fā)出更加廣譜的抗病毒藥物。”王宏偉說，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(biāo)。

　　一輩子一次的機(jī)會

　　回憶起十年來回國建設(shè)冷凍電鏡平臺的經(jīng)歷，王宏偉由衷感慨：自己的所得一直超出期望。

　　2001年赴美做博士后，2009年成為耶魯大學(xué)助理教授并組建獨立實驗室，王宏偉原本可以沿著既定的軌道早一步實現(xiàn)自己的學(xué)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(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)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(rèn)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(jī)會。”這位從1996年進(jìn)入清華讀博就一直從事冷凍電鏡研究的科學(xué)家回憶說。

　　2011年，王宏偉辭去耶魯?shù)墓ぷ鳎�回到清華。

　　告別已經(jīng)開展的課題和成熟的科研團(tuán)隊，王宏偉回國后面對的工作千頭萬緒。“剛開始沒人，我就從技術(shù)員到平臺主管一個一個去招；跟學(xué)校協(xié)商人員設(shè)置、編制數(shù)目、待遇薪酬；去廠家選型采購冷凍電鏡設(shè)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。而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。“之前，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。”王宏偉說。

　　“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(jī)自動完成，不僅提高了效率，而且顯微鏡的穩(wěn)定性也更強(qiáng)。”王宏偉說。

　　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(fù)荷運轉(zhuǎn)。每個月，平臺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(xué)領(lǐng)域拓展到細(xì)胞生物學(xué)、甚至神經(jīng)生物學(xué)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。”王宏偉說。

　　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(tuán)隊提供服務(wù)。

　　據(jù)王宏偉介紹，美英等國的科學(xué)家從五六年前開始以清華冷凍電鏡平臺為參照，說服各自政府投資建設(shè)自己國家的冷凍電鏡中心。

　　“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(xué)術(shù)會議，對冷凍電鏡技術(shù)有了更多的了解和掌握，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)。”

　　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。

　　一臺冷凍電鏡設(shè)備，大大小小零部件加起來有上萬件，而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。”王宏偉指出，研發(fā)建設(shè)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。

　　我國在“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新在現(xiàn)代化建設(shè)全局的核心地位，并要求把科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。

　　“作為基礎(chǔ)研究的工具，冷凍電鏡必將在推動科技創(chuàng)新方面發(fā)揮非常重要的作用。”王宏偉說，他的團(tuán)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。

　　“以前，我們從別人那兒買刀，砍柴的成果很明顯。現(xiàn)在，我們要花時間磨自己的刀，去砍更多的柴、更好的柴。”王宏偉說。(陳昊佺、吳夢對此文亦有貢獻(xiàn))