长久以来,人们认为电子显微镜只能用于观察死去的物质,因为电子显微镜的电子束会杀死活体,电子显微镜的真空管也会让活体脱水而死。
要想不让活体脱水死去,可以对它们进行“冷淡保鲜”。上世纪80年代,Dubochet想到了快速冷却的办法。他将水引入电子显微镜中,并成功实现了水的快速冷冻玻璃化。
一般来说,液态水在电子显微镜的真空管里蒸发,会使得生物大分子瓦解。快速冷却技术可以迅速将水冷却,让其先以液体状态将生物样本包裹,之后立刻变成固体,从而使得生物分子在真空管中仍能保持其自然形态。
除了样本制备外,看得清楚当然也很关键。为了让图像更清晰,1975年到1986年之间,同样从事生物学研究的Frank开发出一种图像处理技术,这种技术能够分析电子显微镜生成的模糊2D图像,并将其合并,最终生成清晰的3D结构。这一突破,让未来冷冻电镜的广泛应用成为可能。
1990年,Henderson又成功地利用一台电子显微镜生成了一种蛋白质的3D图像,图像分辨率达到原子水平。这次突破奠定了冷冻电子显微技术发展的基础。
“尽管Henderson近些年的论文发表完全算不上‘耀眼’,但每一次冷冻电镜领域有重大突破或具有巨大争议性的研究结果,第一个被邀请‘出山’的便是Henderson教授。”剑桥MRC分子生物学实验室科研人员张凯评论。
至今,中国科学院生物物理所研究员孙飞还记得他和Henderson的第一次见面。那是2006年,当时冷冻电镜领域的相关技术突破还在酝酿中,Henderson正在呼吁人们关注冷冻电镜技术的潜力,并明确指出未来的突破方向。
这样的突破终于在2012年至2013年间到来了。“直接电子探测相机的研发成功,让冷冻电镜技术从2006年的纳米分辨率提高到了如今的0.2至0.3纳米,这是一个数量级的质的突破。”孙飞说。
2013年,美国加州大学程亦凡教授团队和合作者,使新相机技术成功应用于膜蛋白分子结构分析。这让冷冻电镜实现了真正的突破——分辨率达到近原子级别。生物大分子的世界,终于清晰了。