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     2017年10月4日，2017年諾貝爾化學(xué)獎授予了英國分子生物學(xué)家和生物物理學(xué)家理查德·亨德森、哥倫比亞大學(xué)的德國出生的生物物理學(xué)家約阿希姆·弗蘭克和瑞士洛桑大學(xué)的生物物理學(xué)家雅克·德博什。為發(fā)展低溫電子顯微鏡（cry.c electronic.y，低溫電子顯微鏡）測定溶液中生物分子的高分辨率結(jié)構(gòu)，簡化生物細(xì)胞的成像過程，提高成像質(zhì)量。
    
     Jacques DeBosch，75歲，出生于瑞士。他的重要貢獻(xiàn)是在真空環(huán)境中保持生物分子的自然形狀。1978年，德波開始解決電子顯微鏡領(lǐng)域中樣品的干燥和破壞問題。如前所述，亨德森曾用葡萄糖保護(hù)樣品。細(xì)菌視紫紅質(zhì)成像，但這種方法并不普遍適用。
    
     Dipos的方法是生物樣品的玻璃化。通常，通過氫鍵的相互作用，水分子在凝固過程中有序排列，形成晶體。在乙烷中預(yù)先用液氮冷卻過的，使水在毫秒內(nèi)完全凝固。這種方法產(chǎn)生非晶態(tài)而不是結(jié)晶態(tài)，玻璃也是非晶態(tài)的，因此稱為玻璃化。嵌入非晶態(tài)冰中的生物樣品可以離開現(xiàn)實(shí)。1982年，De Bosch開發(fā)了一種真正成熟和可用的快速冷凍樣品制備技術(shù)，用于在玻璃質(zhì)冰中形成非冰晶體。1984年，Dipos發(fā)布了不同病毒的結(jié)構(gòu)圖像。低溫電子顯微鏡技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。
    
     72歲的理查德·亨德森出生于蘇格蘭，現(xiàn)任劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)研究委員會MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任，發(fā)起了一場生物大分子的高分辨率觀測革命。在顯微鏡下，亨德森對細(xì)菌視紫紅質(zhì)的嘗試證明了其在生物領(lǐng)域的適用性。他把沒有從細(xì)胞膜上直接分離的細(xì)菌視紫紅質(zhì)放在電子顯微鏡下觀察，并輔以表面包被的葡萄糖以防止真空干燥。電子束強(qiáng)度較低，觀察到細(xì)菌視紫紅質(zhì)在細(xì)胞膜上呈規(guī)則排列并朝同一方向排列。
    
     Henderson和他的同事隨后獲得了細(xì)菌視紫紅質(zhì)的更粗糙的三維結(jié)構(gòu)，這是歷史上膜蛋白領(lǐng)域中的個三維結(jié)構(gòu)。這一突破性的結(jié)果證明了電子顯微術(shù)對生物分子成像的潛力。
    
     77歲的德國出生的生物物理學(xué)家約阿希姆弗蘭克已經(jīng)使冷凍電子顯微鏡技術(shù)普遍適用。弗蘭克在1981年完成了一個算法，使用計(jì)算機(jī)識別的圖像來收集相同蛋白質(zhì)的不同陰影，并將圖像與相似輪廓進(jìn)行分類和比較。我們的。通過分析不同的重復(fù)模式，將圖像擬合成更清晰的二維圖像，在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)方法建立同一蛋白質(zhì)的不同二維圖像之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對三維結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行擬合。他的圖形擬合程序被認(rèn)為是低溫電子顯微鏡發(fā)展的基礎(chǔ)，此外，他還對細(xì)菌和真核生物的核糖體結(jié)構(gòu)和功能的研究作出了重要貢獻(xiàn)。核酸攜帶遺傳物質(zhì)，這引起科學(xué)家的注意。蛋白質(zhì)是生命活動的主要執(zhí)行者。對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析始于20世紀(jì)60年代。在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域有一個不成文的觀點(diǎn)：結(jié)構(gòu)決定功能。只有了解生物分子的原子排列，科學(xué)家才能理解這種蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析有兩種常用的實(shí)驗(yàn)方法：X射線衍射晶體學(xué)和核磁共振成像。
    
     X射線衍射晶體學(xué)作為結(jié)構(gòu)分析的最早的實(shí)驗(yàn)方法之一，已有幾十年的歷史。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)X射線照射分子晶體顆粒時，會發(fā)生X射線衍射效應(yīng)。通過探測器采集這些衍射信號，可以了解晶體中電子密度的分布，進(jìn)而獲得粒子的位置信息。生物大分子晶體，但在這種情況下，晶體周圍的環(huán)境非常惡劣，可能對晶體產(chǎn)生不利影響，而且X射線衍射法不能用于分析較大的蛋白質(zhì)。
    
     核磁共振成像的基本理論是具有孤對電子的核（可選的量子數(shù)為1）會引起核能級的塞曼分裂，吸收和釋放電磁輻射，即產(chǎn)生共振譜。ic輻射與磁場強(qiáng)度成正比。通過分析特定原子與外部磁場結(jié)合發(fā)射的電磁輻射，這個特性可以用于成像生物大分子或其他領(lǐng)域。核磁共振（NMR）結(jié)構(gòu)分析大多處于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的溶液狀態(tài)，一般認(rèn)為與晶體結(jié)構(gòu)相比，晶體結(jié)構(gòu)能更好地描述細(xì)胞內(nèi)生物大分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)，并能獲得氫原子的結(jié)構(gòu)位置。磁共振不是的。由于蛋白質(zhì)在溶液中的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有時難以獲得穩(wěn)定的信號。因此，經(jīng)常需要使用計(jì)算機(jī)建模或其他方法來改進(jìn)結(jié)構(gòu)分析過程。
    
     但實(shí)際上，這兩種常規(guī)方法都不能給研究人員提供高分辨率的大型蛋白質(zhì)復(fù)合物，這阻礙了成像技術(shù)在生物結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展。具有原子分辨率的大型蛋白質(zhì)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)無需結(jié)晶，只需很少的樣品，即可快速解析。結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。許多重要的大配合物和膜蛋白的原子分辨率結(jié)構(gòu)長期以來無法用傳統(tǒng)的X射線和結(jié)晶學(xué)來解決，現(xiàn)在已經(jīng)一個接一個地迅速得到解決，并已逐一占據(jù)期刊和主要媒體。在生物分子方面，研究人員可以在原子水平上進(jìn)行高分辨率成像，而不必用大分子樣品制成晶體。隨后，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也正式進(jìn)入井噴發(fā)展階段。《自然方法》雜志將以冷凍電鏡技術(shù)作為年度最關(guān)注的技術(shù)。
    
     Behind these breakthroughs, Henderson, Frank and De Bosch, three pioneers in the field of cryo-electron microscopy, have made important contributions to basic theories, reconstruction algorithms and experiments respectively.The Nobel Prize official said the contribution of the trio has made imaging of biomolecules simpler and clearer, and has ushered in a new era in biochemistry.We will soon be able to get sophisticated images of complex life devices at atomic resolution.There are even media reports that freezing electron microscopy is the third largest technology to be compared with sequencING和質(zhì)譜分析。
    
     低溫電子顯微鏡（TEM）是指應(yīng)用冷凍固定和透射電子顯微鏡（TEM）在低溫下觀察樣品。它可以凍結(jié)生物分子，并允許對它們的運(yùn)動進(jìn)行前所未有的觀察和分析。它對生物化學(xué)的理解和藥理學(xué)的發(fā)展具有決定性的影響。在手術(shù)過程中，樣品被冷凍，然后置于低溫顯微鏡下。高相干電子從樣品和周圍冰上照射，引起散射，然后由探測器和投影系統(tǒng)記錄散射信號。最后，對信號進(jìn)行處理，得到樣本結(jié)構(gòu)。
    
     這種用于掃描電子顯微鏡（SEM）的低溫樣品制備和透射技術(shù)允許直接觀察液體、半液體和電子束敏感樣品，例如生物材料和聚合物材料。D或碳。采用冷凍轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)對樣品進(jìn)行觀察，并將其置于冷庫（溫度可達(dá)-185℃）中。保證研究人員在低溫下進(jìn)行電子顯微鏡下觀察樣品的系統(tǒng)。新世紀(jì)后，電子顯微鏡和計(jì)算機(jī)建模與成像相結(jié)合的大量實(shí)踐開始盛行。o得益于樣品制備技術(shù)、新一代電子探測器的發(fā)明、軟件算法的優(yōu)化等技術(shù)的進(jìn)步，更多的信息和更低的噪聲保證了高分辨率的圖像。
    
     科學(xué)家們希望能夠創(chuàng)造出更靈敏的電子探測器和更好的方法制備蛋白質(zhì)樣品。通過這種方式，可以成像更小和更動態(tài)的分子，并且具有更高的分辨率。隨著基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組和脂質(zhì)組在大數(shù)據(jù)時代的迅速發(fā)展，越來越多的蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)引起更多的重視。蛋白質(zhì)藥物篩選和計(jì)算機(jī)輔助藥物研究不容低估，開發(fā)高精度、高效的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)具有重要意義，可以預(yù)見，未來蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)懈嗟捏@喜。
    
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