揚優勢補短板 清華“魔鏡”為中國生命科學贏得寶貴先機

  2021-04-16 16:22:34

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  清華“魔鏡”為中國生命科學贏得寶貴先機

  助力我國蛋白質結構研究的清華大學冷凍電鏡平臺,揚優勢也在補短板

  本報記者全曉書、李宓、高蓓

  生命離不開蛋白質。從調節生理功能的激素、參加營養代謝的酶,到輸送氧氣的血紅蛋白、抵抗疾病的抗體,都是以蛋白質作為基本材料。如何使用和發展先進的技術手段來觀測這些納米級別的小小世界,一直是科學界聚焦的前沿領域。

  2011年,中國開始籌建國家蛋白質科學研究設施,清華大學作為該設施的一個重要基地,在過去十年里建成了世界上最大的冷凍電子顯微鏡(以下簡稱“冷凍電鏡”)平臺。借助這一優勢,中國科學家在蛋白質結構研究領域取得了很多舉世矚目的成就。

  比如,施一公團隊對細胞核內負責遺傳的剪接體進行了一系列研究,成果連續登上國際頂級期刊;隋森芳院士團隊將植物捕獲光能的蛋白質復合體的重要結構解析出來;楊茂君團隊對線粒體呼吸鏈復合物的三維重構為研究呼吸作用提供了新視角。

  “人體里有幾十萬種不同的蛋白質、核酸以及它們所形成的復合體,它們就像一臺臺很小的分子機器。如果能夠搞清楚它們由哪些零件組成,以及這些零件如何裝配,對于理解分子機器本身怎樣工作,以及如何維修故障機器,都有重要意義。”清華冷凍電鏡平臺主要建設者、清華大學生命科學學院院長王宏偉說。

  盡管冷凍電鏡現在已成為蛋白質研究的主流手段,但在本世紀頭十年里還是一門不被完全看好的小眾技術。正是在這一時期,清華決定起步建設冷凍電鏡平臺,為中國生命科學的發展贏得了寶貴先機。

  “現在看來,這是一個非常重要的決定,對于過去十年我國在冷凍電子顯微學這個領域處于世界上較為領先的地位,發揮了十分重要的作用。”王宏偉說。

  冷凍住生命的奧秘

  上世紀三十年代,世界上第一臺電子顯微鏡問世,科學家自此可以觀察到細胞內部結構。然而,在觀察蛋白質大分子等天然狀態的生物樣本時,電子顯微鏡卻無能為力。

  王宏偉解釋說,生物樣品含水,但電子顯微鏡內部一般為高真空狀態,生物樣品放置其中,水分會很快蒸發,其天然結構就會隨之發生變化。“這就好比我們觀察木乃伊,看到的并不是人體的天然狀態。”

  上世紀七八十年代,科學家逐漸發展出冷凍電鏡技術,但離成熟應用還有很大差距。結構生物學家更多使用X射線晶體學,但很多復雜大分子物質難以獲得晶體,可借助這種方法進行精細結構分析的生物樣品相對較少。

  過去十幾年,冷凍電鏡技術不斷進步,猶如向厚重的生命迷霧投下了一束光,其“近原子級別”的分辨率讓承擔生命活動的蛋白質逐漸從“黑匣”中露出真容。

  秘訣就在“冷凍”二字。“我們把生物大分子溶液滴在直徑只有3至4毫米的金屬載網上,形成一層非常薄的水膜,然后在毫秒之間把它冷凍到液氮溫度(-196℃以下)。因為速度非常快,生物樣本里的水分無法結晶,也來不及蒸發,而是形成一層薄冰。我們再把這樣的樣本保持低溫放置在電子顯微鏡下觀察,就可以獲得它們的內部結構了。”王宏偉說。

  2017年,三位發展冷凍電鏡技術的科學家被授予諾貝爾化學獎,奠定了這一技術的主流地位。新冠疫情暴發以來,科學家們憑借冷凍電鏡技術對新冠病毒的一系列三維重構,讓這一前沿技術更為大眾所了解。

  清華大學王新泉和張林琦團隊借助冷凍電鏡,解析出新冠病毒表面刺突蛋白受體結合區一些關鍵氨基酸位點的突變,對于分析這些突變對新冠病毒毒性和感染能力的影響具有重要意義。

  “根據這些位點突變,科研人員可以評估、改造或設計藥物和疫苗,使其特異性更強。長遠來講,利用已知蛋白質結構,科學家甚至有希望研發出更加廣譜的抗病毒藥物。”王宏偉說,服務現代生物制藥,是冷凍電鏡技術發展的一個重要目標。

  一輩子一次的機會

  回憶起十年來回國建設冷凍電鏡平臺的經歷,王宏偉由衷感慨:自己的所得一直超出期望。

  2001年赴美做博士后,2009年成為耶魯大學助理教授并組建獨立實驗室,王宏偉原本可以沿著既定的軌道早一步實現自己的學術夢想。2009年底,王宏偉回國探親,在母校清華遇到了時任清華大學生命科學與醫學研究院副院長施一公教授和自己的導師隋森芳院士,兩位邀請他回國建設一個世界頂級冷凍電鏡中心。

  2009年,亞洲首臺冷凍電鏡在清華安裝落成。但這項技術的走向尚不明朗。西方同行甚至質疑,冷凍電鏡設備未來有沒有人用?

  “確確實實,我經過認真的思考。一個世界頂級的冷凍電鏡中心,對我有很大的吸引力,可能是一輩子才有一次的機會。”這位從1996年進入清華讀博就一直從事冷凍電鏡研究的科學家回憶說。

  2011年,王宏偉辭去耶魯的工作,回到清華。

  告別已經開展的課題和成熟的科研團隊,王宏偉回國后面對的工作千頭萬緒。“剛開始沒人,我就從技術員到平臺主管一個一個去招;跟學校協商人員設置、編制數目、待遇薪酬;去廠家選型采購冷凍電鏡設備……”

  2014年,清華基地冷凍電鏡設備基本到位,中國一躍成為這一領域的領頭羊。而更令王宏偉高興的是,恰恰就在這一時期,冷凍電鏡技術從硬件到軟件的多方面突破大大提升了這一技術的效率和精度。

  在技術革新浪潮帶動下,清華冷凍電鏡平臺主管雷建林教授開發了一套數據自動收集軟件。“之前,研究人員要坐在顯微鏡前一張一張手動去拍照片,每一張都要人工調好相關參數。一個項目收集一套數據,需要拍攝幾百到上千張照片,科研人員在顯微鏡前一坐就要好幾天。”王宏偉說。

  “現在,只要花兩三個小時挑選樣品、設置參數,后邊的事情就可以全部交由計算機自動完成,不僅提高了效率,而且顯微鏡的穩定性也更強。”王宏偉說。

  花時間磨自己的刀

  目前,清華冷凍電鏡平臺共有十多臺設備,包括4臺300千伏的高端設備,所有設備24小時滿負荷運轉。每個月,平臺可以完成兩三百個項目的數據采集。

  “即使這樣,還不足以滿足需求。我們面對的用戶從原來的結構生物學領域拓展到細胞生物學、甚至神經生物學領域,未來可能會有臨床醫生使用我們的設備。所以,需求會越來越大。”王宏偉說。

  清華冷凍電鏡平臺不僅面向國內用戶,而且從建設之初就向全球開放,過去十年來已為來自美國、英國、日本和新加坡等世界各地的科研團隊提供服務。

  據王宏偉介紹,美英等國的科學家從五六年前開始以清華冷凍電鏡平臺為參照,說服各自政府投資建設自己國家的冷凍電鏡中心。

  “清華基地幾乎每年都會組織一到兩場面向全球的技術培訓班或學術交流會,很多人通過我們的培訓班和學術會議,對冷凍電鏡技術有了更多的了解和掌握,為建設他們自己的冷凍電鏡中心和更好地使用冷凍電鏡技術打下了很好的基礎。”

  不過,王宏偉很清楚,想要保持創新的優勢和活力,僅靠增加幾臺設備是不行的,還需要克服一個重大短板——中國目前還沒有能力生產自己的冷凍電鏡設備。

  一臺冷凍電鏡設備,大大小小零部件加起來有上萬件,而中國所有科研單位使用的冷凍電鏡設備,小到一個螺絲釘,大到最復雜的電子槍元件,全部來自國外廠家。

  “這也是我們一直在思考的問題。”王宏偉指出,研發建設具有自主知識產權的冷凍電鏡工具和方法,應該成為下一步布局的重點。

  我國在“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中強調創新在現代化建設全局的核心地位,并要求把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐。

  “作為基礎研究的工具,冷凍電鏡必將在推動科技創新方面發揮非常重要的作用。”王宏偉說,他的團隊一直在研究開發原創性的冷凍電鏡技術和方法,包括創新型的儀器和設備。

  “以前,我們從別人那兒買刀,砍柴的成果很明顯。現在,我們要花時間磨自己的刀,去砍更多的柴、更好的柴。”王宏偉說。(陳昊佺、吳夢對此文亦有貢獻)

【編輯:黃鈺涵】

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