给分子拍部“高清电影”

来源：人民日报

不久前，英国牛津大学牵头的一个研究团队宣布，他们将常规冷冻电子显微镜（冷冻电镜）的分辨率提高了3倍，成功解析了鸡蛋清中一种名为溶菌酶的小蛋白质的精细结构；中国科学技术大学团队也取得一项重大突破，通过利用创新的冷冻电镜技术，破解了神经信息传递中突触囊泡释放与快速回收的生物物理过程，解决了半个世纪以来学界对突触传递机制的争议……近年来，生物学领域许多重要发现的背后都有冷冻电镜的身影。如今，这项技术正从“拍静态照片”迈向“拍动态电影”，成为科学家观察生命微观活动最有力的工具之一。

细胞的微观世界有着复杂的运行规律。长期以来，人们很难看清其真实面貌。显微镜技术的发展进步，助力微观世界探索不断向纵深处发展。普通光学显微镜受可见光波长限制，分辨率只能达到约0.2微米，远不足以分辨蛋白质等纳米尺度的分子结构；传统电子显微镜虽然分辨率更高，却需要在真空环境中操作，样本必须脱水、染色并固定，导致生物分子失去天然构象，甚至被电子束灼烧破坏。1974年冷冻电镜技术的问世，带来了一场新的革命。

冷冻电镜技术的思路非常巧妙：将含生物分子的溶液制成薄薄的水膜，在毫秒之内投入到零下180摄氏度左右的液态乙烷中，使其瞬间形成“玻璃态冰”——既不膨胀结晶也不蒸发，将分子“冻结”为瞬间姿态。这种“速冻”方式就像按下暂停键，把生命分子的活动定格在某一帧。

接下来是“拍照”，用高能电子束照射样本。由于电子的波长只有可见光的几千分之一，其成像精度可达原子级别。配合高灵敏度的直接电子探测器（类似于数码相机中的图像传感器CCD），可以精准捕捉穿过样本的电子信号，生成大量清晰的二维投影图像。

最后一步是“拼图”，即通过计算机将这些二维图像整合起来，重构出高精度的三维结构模型。这项技术的优势在于“原汁原味”——无需染色或强迫分子结晶，即便是脆弱的大分子也能自然“上镜”，并且可以拍摄到难以定型的柔性分子、细胞内部的精细构造以及病毒入侵等过程。

不过，传统冷冻电镜本质上仍是“静态摄影”，它捕捉的是分子在某一瞬间的构象。要真正理解生命，不仅要知道“它长什么样”，更要明白“它是怎么动的”。近年来，科学家又开发出时间分辨冷冻电镜，在生物反应启动后的特定时间点快速冷冻样本，再通过一系列“时间切片”，复现分子变化的全过程。

此次中国科学技术大学自主研发的毫秒级时间分辨冷冻电镜技术正是基于这一理念，在冷冻同步精度、原位高分辨三维重构等方面实现了提升。团队将光遗传学刺激反应与毫秒级投入冷冻方法相结合，不用将神经突触从细胞中分离，可以直接在接近生理状态的环境下开展观测。通过激光精准触发神经信号后，在4毫秒至300毫秒的关键时间窗口内完成急速冷冻，首次清晰拍到突触囊泡“亲吻”细胞膜、形成微小通道释放信号分子，之后又“收缩离开”的完整动态链——相当于制作了一部分子尺度的“高清影片”。这一成果不仅统一了半个世纪以来学界关于突触囊泡释放与回收机制的争议模型，还为理解神经信号传递、神经可塑性及相关脑疾病机理提供全新视角。

展望未来，冷冻电镜将朝着“更快、更真、更普及”的方向加速演进。在速度上，科研人员正努力将时间分辨能力从毫秒推进至微秒甚至纳秒级，以捕捉蛋白质折叠等超快生化反应；在精度上，分辨率将冲击0.1纳米，以清晰分辨单个原子的运动轨迹；在应用层面，可快速解析新发病毒结构，加快药物研发，还能指导纳米材料等创新研究。更值得期待的是，随着设备小型化、自动化和成本下降，桌面级冷冻电镜有望进入普通实验室、基层医院、学校课堂。到那时，冷冻电镜将会像常规显微镜一样，让更多人有机会看到精彩的微观世界，揭开更多生命的奥秘。

（作者为中国科学技术大学科技传播系副研究员）