十年探路：清华“魔镜”解析生命奥秘

　　中评社香港4月22日电／据新华社报道，生命离不开蛋白质。如何使用和发展先进技术手段来观测这些纳米级别的小小世界，一直是科学界聚焦的前沿领域。

　　2011年，中国开始筹建国家蛋白质科学研究设施，清华大学作为该设施的一个重要基地，在过去十年里建成了世界上领先的冷冻电子显微镜（以下简称“冷冻电镜”）平台。借助这一优势，中国科学家在蛋白质结构研究领域取得了很多举世瞩目的成就。

　　比如，著名结构生物学家施一公带领团队对细胞核内负责遗传的剪接体进行了一系列研究，成果连续登上国际顶级期刊；清华大学教授隋森芳带领团队将植物捕获光能的蛋白质复合体的重要结构解析出来。

　　“人体里有几十万种不同的蛋白质、核酸以及它们所形成的复合体，它们就像一台台很小的分子机器。如果能够搞清楚它们由哪些零件组成，以及这些零件如何装配，对于理解分子机器本身怎样工作，以及如何维修故障机器都有重要意义。”清华冷冻电镜平台主要建设者、清华大学生命科学学院院长王宏伟说。

　　本世纪头十年，冷冻电镜还是一门不被看好的小众技术。正是在这一时期，清华决定起步建设冷冻电镜平台，为中国生命科学的发展赢得了宝贵先机。

　　“现在看来，这是一个非常重要的决定，对于过去十年中国在冷冻电子显微学这个领域处于世界较为领先的地位，发挥了十分重要的作用。”王宏伟说。

　　冷冻住生命的奥秘

　　上世纪三十年代，世界上第一台电子显微镜问世，科学家自此可以观察到细胞内部结构。然而，在观察蛋白质大分子等天然状态的生物样本时，电子显微镜却无能为力。

　　王宏伟解释说，生物样品含水，但电子显微镜内部一般为高真空状态，生物样品放置其中，水分会很快蒸发。“这就好比我们观察木乃伊，看到的并不是人体的天然状态。”

　　上世纪七八十年代，科学家逐渐发展出冷冻电镜技术，但离成熟应用还有很大差距。结构生物学家更多使用X射线晶体学，但问题是很多复杂大分子物质难以获得晶体。

　　过去十几年，冷冻电镜技术不断进步，犹如向厚重的生命迷雾投下了一束光。2017年，三位发展冷冻电镜技术的科学家被授予诺贝尔化学奖。

　　“我们把生物大分子溶液滴在直径只有3至4毫米的金属载网上，形成一层非常薄的水膜，然后在毫秒之间把它冷冻到液氮温度（－196℃以下）。因为速度非常快，生物样本里的水分无法结晶，也来不及蒸发，而是形成一层薄冰。我们再把这样的样本保持低温放置在电子显微镜下观察，就可以获得它们的内部结构了。”王宏伟说。

　　新冠疫情暴发以来，科学家们凭借冷冻电镜技术对新冠病毒进行了一系列重构和研究。比如，清华大学王新泉和张林琦团队借助冷冻电镜，解析出新冠病毒表面刺突蛋白受体结合区一些关键氨基酸位点的突变。

　　“根据这些位点突变，科研人员可以评估、改造或设计药物和疫苗，使其特异性更强。”王宏伟说，服务现代生物制药是冷冻电镜技术发展的一个重要目标。