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It is very easy to answer many fundamental biological questions; you just look at the thing！
——1965 年诺贝尔物理学奖得主理查德费曼
正如费曼教授所言，许多科学发现常常都建立在对微观世界进行成功显像的基础之上，随着技术的发展，只要分辨率足够高，在原子尺度上观察生命现象，也只是举手之劳。冷冻电镜作为一种能帮助我们探寻生命微观奥秘的有力技术，在激荡中，已然走过 40 年时光，步入了看清原子的时代。
l 看清原子，冷冻电镜打开了新宇宙
2020 年 6 月 3 日，Nature在线发表了题为它打开了一个全新的宇宙：革命性的显微镜技术首次看到了「单个原子」的在线报道，浓墨重彩地介绍了冷冻电镜在分辨上的重大突破。
图片来源：Nature
究竟是怎么样的突破，让 Nature 不吝赞美之词，用「打开全新的宇宙」、「革命性」来重点推荐呢？
简单而言，就是冷冻电镜再一次打破了分辨率记录，做到了对单个原子以及化学修饰的可视化，也就是所谓的真原子分辨率。
实现这一突破的有两个课题组。
其一是德国马普生物物理化学研究所结构动力学系 Holger Stark 课题组，该课题组在预印本平台bioRxiv上发表了题为 Breaking the next Cryo-EM resolution barrier – Atomic resolution determination of proteins! 的文章，实现了对去铁铁蛋白（apoferritin）结构在原子级别的分辨率（1.25）的解析。
图片来源：bioRxiv
另一项研究则由英国医学研究委员会分子生物学实验室（MRC-LMB）的结构生物学家 Sjors Scheres 和 Radu Aricescu 所领衔的团队完成，该团队在1.2 的分辨率上重建了小鼠去铁铁蛋白（mouse apoferritin）的结构。
图片来源：bioRxiv
1.2 的分辨率对蛋白结构解析来说，确实具有划时代的意义。
尽管当前越来越多已解析的蛋白质结构分辨率能够达到 2-3 的范围，并且有部分样品的分辨率高于 2，达到了 1.5 的水平，但是要达到可以直接可视化蛋白质结构中的真实原子位置，仍然需要更高的分辨率。
Holger Stark 课题组使用了新开发的电子显微镜 Titan Mono-BCOR 获得了 1.25 分辨率的蛋白分子结构，第一次让我们看到了蛋白质中的单个原子。
图片来源：bioRxiv
不仅如此，这项技术还能够查看氢原子的密度和单原子的化学修饰，揭示了前所未有的结构细节。
图片来源：bioRxiv
打开新宇宙的新时代，确实要来了。
l 四十年激荡路，冷冻电镜与结构生物学新纪元
时间回到 1974 年。
这年，罗伯特格雷瑟提出了「冷冻含水生物样品的电镜成像」概念，即生物大分子的结构完整性，可以通过将它们「冻起来」而得到保留。
图片来源：Science
这一概念便是后来冷冻电镜能以「镜」制「冻」的重要前提。
1982 年，雅克杜博歇教授领导的小组，基于这一概念开发出了实用的快速冷冻制样技术。
图片来源：Ultramicroscopy
这一技术使得生物样品在冷冻过程中不会被冰晶损伤，同时也可以大大减少电镜产生的高能电子对生物样品辐照的损伤。
但是，冷冻电镜的发展还离不了另外两位重要的科学家。
约阿希姆弗兰克教授解决的了「所见与所得」的问题，让我们看到了蛋白质的三维空间结构。
图片来源：Ultramicroscopy
他发明了单颗粒三维重构算法，通过计算机来处理冷冻电镜拍摄下的蛋白质分子的二维照片，进而解析出蛋白质的三维空间结构。
这一创新的想法与样本的冷冻制备相结合，才造就了我们所熟知的「单粒子冷冻电镜」。
随后，电镜的电子光学系统性能和稳定性的不断改善，人们发现电镜相机记录图像信号的能力成为了分辨率的决定性因素。
另一位科学家 —— 理查德亨德森教授则在冷冻电镜的硬件理论上作出了重要贡献。2003 年，理查德亨德森教授提出，将直接电子探测相机用于冷冻电镜，可大大提高冷冻电镜的数据质量。
图片来源：JMB
这一理论提出的 10 年后，直接电子探测技术和随后发展出来的电子计数技术突破性地将相机记录到的可用信号的分辨率大幅提高到了原子尺度。
图片来源：Nature
2013 年俨然成为了冷冻电镜发展的分水岭。
2017 年，随着瑞典皇家科学院发言人的宣布，诺贝尔化学奖尘埃落定。
瑞士洛桑大学教授雅克杜博歇、美国哥伦比亚大学教授约阿希姆弗兰克以及英国剑桥大学教授理查德亨德森分享了这一奖项，获奖原因是他们在开发低温冷冻电子显微镜解决溶液中生物分子的高分辨率结构测定方面作出了杰出贡献。
图片来源：诺奖官网
虽然有人调侃，「物理学家拿了诺贝尔化学奖，奖励他们帮助了生物学家」，但无论如何，诺奖都是对冷冻电镜的一大有力肯定。
2020 年，冷冻电镜的分辨率首次达到真原子尺度，四十年激荡路，终究带来了一个时代的发展。
l 技术发展的背后，却是人才短缺的烦恼
冷冻电镜在技术层面的发展无疑是迅速的，寥寥四十年，就实现了对原子的观察和成像。
为了在新领域上快速占领高地，包括中国在内的众多国家，都在投入大量资金购买冷冻电镜设备。以中国为例，在过去 10 多年里，我国在冷冻电镜上进行了巨大的投入，做出了许多举世瞩目的成就。
图片来源：南方科技大学
但结构生物学和冷冻电镜发展背后的相关人才短缺却仍旧是一个世界性的难题。
不论任何领域，人才都不是简简单单就可以批量生产的，在电镜领域也是如此，电镜人才也需要一个培养过程，需要扎实地了解从样品制备，到控制电镜在什么条件下输数据，再到图像处理的方方方面面。
希望有一天，电镜人才的培养和电镜技术的发展，可以让我们更好地揭示隐藏在结构之中的生命奥秘。
也希望我国在冷冻电镜上的突破可以越来越多，施一公教授和颜宁老师再接再厉，做出更多重大成果。
参考资料：
1. https://www.nature.com/articles/d41586-020-01658-1
2. Yip, K. M., Fischer, N., Paknia, E., Chari, A. & Stark, H. Preprint at bioRxiv. https://doi.org/10.1101/2020.05.21.106740 (2020).
3. Nakane, T. et al. Preprint at bioRxiv. https://doi.org/10.1101/2020.05.22.110189 (2020).
4. Kato, T. et al. Microsc. Microanal. 25(S2), 998–999 (2019).
5. Uchański, T. et al. Preprint at bioRxiv. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/812230v1 (2020).
6. Naydenova, K., Peet, M.J. & Russo, C. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 116, 11718–11724 (2019).
题图来源：Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology
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