在英國劍橋市一座鋼結構建筑深處的地下室里，一場大規(guī)模的“叛亂”正在上演。
一個約3米高的龐大金屬箱正通過消失在屋頂上的橙色粗電纜，靜悄悄地發(fā)射兆兆字節(jié)的數據。這是全球最先進的冷凍電子顯微鏡之一：一臺利用電子束為冷凍的生物分子成像并揭秘其分子形狀的設備。英國醫(yī)學研究委員會分子生物學實驗室（LMB）結構生物學家SjorsScheres像個矮子一樣站在這臺價值500萬英鎊（合770萬美元）的設備旁邊介紹說，這臺顯微鏡非常敏感，以至于一個叫喊聲就能毀掉試驗。
在全球實驗室中，類似這樣的冷凍電鏡正影響著結構生物學領域。過去3年里，它們揭示了制造蛋白的核糖體細節(jié)，而這些發(fā)現正在以飛快的速度發(fā)表于頂級期刊。結構生物學家們毫不夸張地認為，他們的領域正處于一場革命當中：冷凍電鏡能快速創(chuàng)建那些抗拒X射線結晶學和其他方法的分子的高分辨率模型。與此同時，利用此前技術獲得諾貝爾獎的實驗室正爭先恐后地學習這種“新貴”方法。
挑戰(zhàn)“王者”
當1973年生物學家Richard Henderson到LMB研究一種被稱為菌視紫紅質的蛋白時，利用光能量推動質子穿過細胞膜的X射線結晶學是毫無疑問的“王者”。Henderson和他的同事Nigel Unwin利用這種蛋白制成二維晶體，但它們并不適合X射線衍射。因此，兩人決定嘗試電子顯微鏡。
當時，電子顯微鏡用于研究被重金屬染色劑處理過的病毒或組織切片。一束電子被射向樣品，其中掙脫開來的電子被探測到并用于描繪它們所撞入的材料結構。這種方法產生了煙草病菌的首幅清晰圖像，但染色劑使觀察單個蛋白變得困難，更不用說X射線所能揭示的原子水平上的細節(jié)。
在一個關鍵步驟中，當Henderson和Unwin利用電子顯微鏡對菌視紫紅質的晶片進行成像時，他們省略了染色劑，相反把晶體放在金屬網格上，以便使蛋白凸顯出來?！澳隳芸吹降鞍字械脑??！焙蚒nwin在1975年發(fā)表了菌視紫紅質結構的Henderson介紹說?！斑@是一個巨大的進步?！泵绹又荽髮W舊金山分校細胞生物學家DavidAgard表示，“這就是說，利用電子顯微鏡研究蛋白結構將成為可能?！?/span>
冷凍電鏡領域在上世紀八九十年代得到發(fā)展。一個關鍵進步是將液態(tài)乙烷用于瞬間凍結溶液中的蛋白并使其保持靜止。不過，通常情況下，這種技術仍然只能將蛋白結構解析到10埃（1埃相當于1納米的十分之一）的分辨率——與X射線晶體學超過4埃的模型相比并沒有競爭力，并且遠遠無法滿足將這些結構用于藥物設計的要求。當諸如美國國立衛(wèi)生研究院等資助者把上億美元投資到野心勃勃的晶體學項目時，對冷凍電鏡的資助遠遠落后于此。1997年，當Henderson參加關于3D電子顯微鏡的年度高登研究會議時，一位同事在開幕式上發(fā)表了頗有挑釁意味的聲明：冷凍電鏡是一種“小生境”方法，不可能取代X射線晶體學。不過，Henderson能看到一個不同的未來，并且在隨后的演講中進行了反駁?！爱敃r我說，我們應當讓冷凍電鏡在全球統(tǒng)治所有結構學方法?！彼貞浀?。
革命從此開始
此后第二年，Henderson、Agard和其他冷凍電鏡的狂熱支持者有條不紊地實現了各種技術改善，尤其是找到了感知電子的更好方法。在數碼相機風靡世界很久之后，很多電子顯微鏡專家仍然偏好過時的膠片，因為它能比數字傳感器更高效地記錄電子。不過，和顯微鏡生產廠商一道，研究人員開發(fā)出遠超膠片和數碼相機探測器的新一代直接電子探測器。
這些從2012年左右獲得應用的探測器，能以每秒幾十幀的速率捕捉單一分子的速射圖像。與此同時，諸如Scheres等研究人員編寫了復雜的軟件程序，將上千幅2D圖像轉變成在很多情況下可與晶體學解析的分子圖像質量相媲美的3D模型。
冷凍電鏡適合能忍受電子轟擊而不會四處晃動的穩(wěn)定、大型分子，因此通常由幾十個蛋白制成的分子機器是很好的目標。而研究證明，沒有什么比由RNA相互纏繞支撐的核糖體更加合適了。通過X射線晶體學解析核糖體結構的方法，讓3位化學家獲得了2009年諾貝爾化學獎。過去幾年里，不同的研究團隊迅速發(fā)表了來自眾多生物體的核糖體冷凍電鏡結構，包括首個人類核糖體高分辨率模型。在由分享了2009年諾貝爾獎的Venki Rama krishnan領導的LMB實驗室，X射線晶體學在很大程度上變得無人問津。他認為，對于大型分子來說，“冷凍電鏡將大幅取代晶體學技術的預測是可靠的”。
