知产力,为创新聚合知识产权解决方案

冷冻电镜技术为何能获得2017年诺贝尔化学奖及其发展趋势

2017-10-09 09:40 · 作者:   阅读:754   来源:生物谷


 2017年10月4日/生物谷BIOON/---在人们的一片猜测中,2017年诺贝尔化学奖终于揭晓了!当地时间2017年10月4日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将2017年度诺贝尔化学奖授予给瑞士洛桑大学的Jacques Dubochet、美国哥伦比亚大学的Joachim Frank和英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的Richard Henderson,获奖理由是“开发出冷冻电子显微镜技术(cryo-electron microscopy, 也称作electron cryomicroscopy, cryo-EM, 也称为低温电子显微镜技术)用于确定溶液中的生物分子的高分辨率结构。” 这三人将均分900万瑞典克朗奖金。



 



 Jacques Dubochet



 



 
 



 Joachim Frank



 



 
 



 Richard Henderson



 

结构生物学领域有一条不成文的观点:结构决定功能。只有知道生物分子的原子排布,科学家们才能了解这个蛋白的功能。几十年来,分析蛋白结构有一个无冕之王——X射线晶体衍射。在X射线晶体衍射中,科学家们让蛋白结晶,然后利用X射线照射,随后根据X射线的衍射来重建蛋白的结构。在蛋白质数据银行(Protein Data Bank)的100000多条蛋白词目里,超过90%的蛋白结构是利用X射线晶体衍射技术解析得到的。



尽管X射线晶体衍射一直是结构生物学家的最佳工具,但是它存在较大的限制。科学家们将蛋白进行大块结晶通常需要多年的时间。而很多基础蛋白分子,例如嵌在细胞膜上的蛋白,或是形成复合体的蛋白却无法被结晶。



X射线晶体衍射技术(X-ray crystallography)即将成为历史,冷冻电子显微技术引发结构生物学乃至生物化学变革。



冷冻电子显微镜技术引发生物化学变革



我们可能很快就会获得复杂生命系统的详细原子分辨率图片。2017年诺贝尔化学奖被授予被Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson,以表彰他们开发出冷冻电子显微镜技术。这种技术简化和改进了对生物分子的成像。它将生物化学带入一个新的时代。



图片是理解的关键。科学突破经常建立在成功地将人眼不能看见的物体可视化的基础之上。然而,在生物化学领域,这方面在过去很长的时间里是一片空白,这是因为现有技术很难产生大多数生物分子复合体的图片。冷冻电子显微技术改变了这一切。如今,研究人员能够对移动中的生物分子进行冻存,并且对他们之前不能看见的过程进行可视化观察,这对生命的化学性质的基本理解和开发药物产生决定性的影响。



长期以来,人们认为电子显微镜仅适合对无生命的物质进行成像,这是因为它产生的大功率的电子束会破坏生物材料。但是在1990年,Richard Henderson成功地利用电子显微镜在原子分辨率下产生一种蛋白的三维结构图片。这一突破证明了这种技术的潜力。



 



 

Joachim Frank让这种技术得到广泛应用。在1975年到1986年期间,他开发出一种图片处理方法来分析电子显微镜产生的模糊的二维图片,并且将这些模糊的二维图片进行合并而产生清晰的三维结构图。



Jacques Dubochet将水加入电子显微镜中。液态水在电子显微镜的真空环境中蒸发,从而使得生物分子分解。在上世纪80年代早期,Dubochet成功地实现水玻璃化(vitrifying water):快速地让水冷却以至于它在液态状态时在生物样本周围凝固,从而允许生物分子在真空环境下保持它们的自然形状。



在这些发现之后,电子显微镜的每个方面都得到优化。2013年,电子显微镜实现理想的原子分辨率。如今,研究人员能够程式化地获得生物分子的三维结构。在过去的数年里,科学文献到处可以看到各种物质的高清晰图片,从导致抗生素耐药性的蛋白,到寨卡病毒的外壳表面。如今,生物化学正面临着爆炸性的发展,做好迎接激动人心的未来的准备。



冷冻电子显微镜技术发展趋势



冷冻电子显微镜技术适用于研究大的、稳定的分子,这些分子能够承受电子的轰击,而不发生变形——由多个蛋白组成的分子机器是最好的样本。因此由RNA紧紧围绕的核糖体是最佳的样本。三位化学家用X射线晶体衍射研究核糖体溶液的工作在2009年获得了诺贝尔化学奖,但这些工作花了几十年。近几年,冷冻电镜研究者们也陷入了“核糖体热”。多个团队研究了多种生物的核糖体,包括人类核糖体的首个高清模型。X射线晶体衍射的研究成果远远落后于英国剑桥大学医学研究理事会(MRC)分子生物学实验室(LMB)的Venki Ramakrishnan实验室,Venki获得了2009年的诺贝尔化学奖。Venki表示,对于大分子来说,冷冻电子显微镜远比X射线晶体衍射要实用。



这几年,冷冻电子显微镜技术的相关文章有很多:2015年一年,这个技术就用于100多个分子的结构研究。X-射线晶体衍射只能对单个、静态的蛋白晶体成像,但冷冻电子显微镜技术能够对蛋白的多种构象进行成像,帮助科学家们推断蛋白的功能。



现在冷冻电子显微镜技术迅猛发展,专家们正在寻找更大的挑战作为下一个解析目标。对很多人来说,最想解析的是夹在细胞膜内的蛋白。这些蛋白是细胞信号通路中的关键分子,也是比较热门的药物靶标。这些蛋白很难结晶,而冷冻电子显微镜技术不大可能对单个蛋白进行成像,这是因为很难从背景噪音中提取这些信号。



这些困难都无法阻挡加利福利亚大学(University of California)的生物物理学家程亦凡。他计划解析一种细小的膜蛋白TRPV1的结构。TRPV1是检测辣椒中引起灼烧感的物质的受体,并与其它的痛感蛋白紧密相关。加利福利亚大学病理学家David Julius等人之前尝试结晶TRPV1,结果失败。用冷冻电子显微镜技术解析TRPV1的结构,一开始进展缓慢。但2013年底,技术进步使得这一项目有了重大突破,他们获得了分辨率为0.34纳米的TRPV1蛋白的结构。该成果的发表对于领域来说,无异于惊雷。因为这证实了冷冻电子显微镜技术能够解析重要的小分子。



尽管冷冻电子显微镜技术发展迅速,很多研究人员认为,它仍有巨大提升空间。他们希望能制造出更灵敏的电子探测器,以及更好地制备蛋白样本的方法。这样的话,就能够对更小的、更动态的分子进行成像,并且分辨率更高。2016年5月,有研究人员发表了一篇细菌蛋白的结构,分辨率达到了0.22纳米。这也显示了冷冻电子显微镜技术的潜力。



2017年1月,来自埃默里大学医学院等研究机构的研究人员开发出了一种新型的低温相关的光镜和电镜工作流(cryo-CLEM)。他们首先在脆性碳覆盖的黄金网格中对病毒感染或转染的细胞进行培养,随后进行玻璃化操作,即对细胞快速冷却以免冰晶形成,一旦细胞被冷却研究人员就能够利用低温荧光显微镜和低温电子断层扫描术对细胞进行研究,低温(负150度以下)对于这两种技术而言非常必要,而且样品玻璃化后进行光学显微镜检查还能够抑制细胞继续生长以及位置发生改变。他们指出,利用低温电子断层扫描术获得的数据还能够帮助我们在高分辨率下获取单一完整病毒和病毒蛋白的图像,这项研究中研究者对呼吸道合胞体病毒进行了研究,他们发现,候选减毒活疫苗在结构上同呼吸道合胞体病毒结构非常相似。这种名为cryo-CLEM的新技术能够对扁平生长的细胞进行研究,因为标准的光束并不能够穿透厚度大于1微米的细胞,而哺乳动物的细胞通常有几微米宽,而诸如HIV等病毒大约为0.1微米。



2017年3月,瑞士苏黎世大学生物化学系细胞生物学教授Ohad Medalia及其团队利用低温电子断层扫描术首次成功地在分子分辨率上阐明细胞核的核纤层(lamina)结构。这种技术将电子显微术和断层扫描术结合在一起,能够在准自然状态下可视化三维观察细胞结构。



1997年时,英国医学研究委员会分子生物学实验室结构生物学家Richard Henderson非常坚定地宣称,冷冻电子显微镜技术会成为解析蛋白结构的主流工具。在将近20年后的今天,他的预测比当年有了更多底气。Henderson表示,如果冷冻电子显微镜技术保持这样的势头继续发展,技术问题也得以解决,那么冷冻电子显微镜技术不仅会成为解析蛋白结构的第一选择,而是主流选择。这个目标已经离我们不远了。(生物谷 Bioon.com)



参考资料:

1.Press Release: The Nobel Prize in Chemistry 2017



2.Nature、Science和Cell三大期刊低温电镜解析蛋白结构重大研究



3.Nat Protocols:利用低温光学和电子显微镜联合技术观察并研究活体病毒



4.Nature:重磅!首次解析出细胞核骨架的三维分子结构




  • 游戏诉讼中如何确定“思想”和“表达”(中)

    昨天有细心的朋友指出“青眼究极龙”不是应该三个头吗?肿么只有一个头?——作为一篇学术文章,被diss的对象全部针对插图,很心塞——这种BUG我怎么可能会出现(心好慌):难道就因为不让你们上外服吃鸡?就因为沉溺于挂机页游版吃鸡?就因为马布里退役了?就忘记了召唤青眼究极龙的步骤?
  • 拍案说法|商业秘密案中权利人对客户名单存在交叉承担举证责任

    客户名单属于经营中形成的客户信息,记载了权利人的服务对象、服务内容、联系方式等内容,与权利人提供的特定服务密不可分,具有专有性和区别性特征,可以认定为商业秘密。
  • 厉害了!比起韩国在知识产权领域的设想,平昌冬奥会都不算啥

    平昌冬奥会开幕了。正如30年前韩国在首尔第一次举办夏季奥运会、10年前中国在北京第一次举办夏季奥运会一样,每次奥林匹克圣火的降临都是东道主向全世界展示自己的难得机遇,也是主办国进一步扩大国际化的最佳契机。
  • 对话IP人|陶鑫良:法学人才要“瘦身减肥”,管理人才要 “强身扩体”

    随着我国从“知识产权大国”向“知识产权强国”迈进,面对知识产权保护范围不断扩大、知识产权保护水平日益提高、知识产权保护力度逐年加强的国内外形势,我国对知识产权应用型人才的同步需求愈发增大。当前我国在知识产权人才培养与需求方面的问题备受关注。为此,本期知产力对话IP人栏目特邀请了资深知识产权专家、大连理工大学知识产权学院院长陶鑫良教授,与他就我国知识产权人才培养的系列议题进行深入对话。
  • 知识产权法反垄断前沿问题的探讨

    知识产权青年学人交流会,是由华中科技大学法学院熊琦教授发起,法学院知识产权青年创新团队组织的全国性学术交流项目。
  • 厉害了!比起韩国在知识产权领域的设想,平昌冬奥会都不算啥

    平昌冬奥会开幕了。正如30年前韩国在首尔第一次举办夏季奥运会、10年前中国在北京第一次举办夏季奥运会一样,每次奥林匹克圣火的降临都是东道主向全世界展示自己的难得机遇,也是主办国进一步扩大国际化的最佳契机。
  • 李扬:究竟是谁在劫持谁?

    最近,涉及标准必要专利诸多纠纷的出现,引起了普遍关注。某些传统观点认为,权利人会利用标准必要专利无法绕开、必然被实施的特性,敲专利实施者的竹杠,产生专利劫持。
  • 论道医药专利 | 尾篇:取他人之长,建立符合中国国情的专利链接制度

    健康是全人类的共同诉求,当社会经济发展到一定水平,人们会对生命质量有更高追求。人民健康是最可宝贵的财富,拥有健康的人民意味着拥有更强大的综合国力和可持续发展能力。
  • 天闻说 | 浏览器拦截视频前广告是否构成不正当竞争探析

    随着互联网的进一步发展,由于版权环境的持续好转,目前出现了一批提供正版视频在线观看的视频网站,由于提供的视频资源覆盖范围越来越大,所以普通用户已经可以随时获取这类视频而无需通过其他非合法途径来获取。这也导致互联网的侵权模式也发生了变化,从原来直接盗取权利人享有合法权利的视频作品以传播自己的产品,变成了对视频网站的正常经营进行干扰以传播自己的产品。如盗链、强制跳转、破解视频网站会员服务等。
  • 黄璞琳:新反法第六条规定的“擅自使用”包括销售行为吗?

    1993年《反不正当竞争法》第五条第(二)项禁止经营者擅自使用知名商品特有的名称、包装、装潢,或者使用与知名商品近似的名称、包装、装潢,并在第二十一条第二款相应设定了罚款等行政处罚。原国家工商局1995年7月6月发布的《关于禁止仿冒知名商品特有的名称、包装、装潢的不正当竞争行为的若干规定》第二条,将《反不正当竞争法》第五条第(二)项规定的不正当竞争行为,类型化表述为“仿冒知名商品特有的名称、包装
  • 游戏诉讼中如何确定“思想”和“表达”(中)

    昨天有细心的朋友指出“青眼究极龙”不是应该三个头吗?肿么只有一个头?——作为一篇学术文章,被diss的对象全部针对插图,很心塞——这种BUG我怎么可能会出现(心好慌):难道就因为不让你们上外服吃鸡?就因为沉溺于挂机页游版吃鸡?就因为马布里退役了?就忘记了召唤青眼究极龙的步骤?
  • 拍案说法|商业秘密案中权利人对客户名单存在交叉承担举证责任

    客户名单属于经营中形成的客户信息,记载了权利人的服务对象、服务内容、联系方式等内容,与权利人提供的特定服务密不可分,具有专有性和区别性特征,可以认定为商业秘密。
  • 厉害了!比起韩国在知识产权领域的设想,平昌冬奥会都不算啥

    平昌冬奥会开幕了。正如30年前韩国在首尔第一次举办夏季奥运会、10年前中国在北京第一次举办夏季奥运会一样,每次奥林匹克圣火的降临都是东道主向全世界展示自己的难得机遇,也是主办国进一步扩大国际化的最佳契机。
  • 对话IP人|陶鑫良:法学人才要“瘦身减肥”,管理人才要 “强身扩体”

    随着我国从“知识产权大国”向“知识产权强国”迈进,面对知识产权保护范围不断扩大、知识产权保护水平日益提高、知识产权保护力度逐年加强的国内外形势,我国对知识产权应用型人才的同步需求愈发增大。当前我国在知识产权人才培养与需求方面的问题备受关注。为此,本期知产力对话IP人栏目特邀请了资深知识产权专家、大连理工大学知识产权学院院长陶鑫良教授,与他就我国知识产权人才培养的系列议题进行深入对话。
  • 孙磊:游戏诉讼中如何确定“思想”和“表达”

    修生养息地玩了一个月游戏,每天内心中的小天使都会蹦出来说“该去码字了”,而小恶魔马上蹦出来说“是的”——当然,他们俩的话我都没听,我是一个有主见的“银”。这几天,我们来说一说换皮游戏中,如何确定思想和表达。
  • 闹剧:IAM眼中对撸的西电捷通和苹果

    在北京的专利年会上,来自苹果关联私人执业律师的一个带有些许敌意的问题,引发了一场激烈的、略微难堪的对话,十分罕见。苹果与中国公司西电捷通之间在中国法院的战火已经燃烧了一年多,而今天刚刚在中国国家会议中心开幕的中国专利年会的与会者,亲眼看到了这一幕的上演。
  • 知识产权诉讼技巧及实战攻略系列课程 | 开课啦

    知产力(微信ID:zhichanli)知产力是一家致力于“为创新聚合知识产权解决方案”的原创型新媒体平台。关
  • 非诚勿扰“嘘嘘”篇——华谊兄弟撤诉

    2017年6月29日,北京市朝阳区人民法院作出民事裁定,准予华谊兄弟传媒股份有限公司(下称华谊兄弟)撤回对金阿欢、永嘉县非诚勿扰婚姻介绍所(普通合伙)侵害作品信息网络传播权的起诉。 朝阳法院的该份裁定是基于2017年6月27日,华谊兄弟提出的撤诉申请。关于撤诉原因,目前尚不知晓。
  • 商标评审速递 | “花芊古”遇到“花千骨”再天然也不行

    “花芊古天然”商标申请被驳回;JEEP无效“水中吉普SHui ZHong Ji Pu”
  • 专利侵权案搜狗持续推进:9项侵权已进入庭审

    近日,搜狗诉百度专利侵权案又有了新的进展。据了解,之前国家知识产权局专利复审委员会已经裁定有效的9项专利的相关诉讼已进入庭审阶段。在相关专利被认定有效的前提下,进入庭审也就意味着百度败诉的可能性大增。
  • 厉害了!比起韩国在知识产权领域的设想,平昌冬奥会都不算啥

    平昌冬奥会开幕了。正如30年前韩国在首尔第一次举办夏季奥运会、10年前中国在北京第一次举办夏季奥运会一样,每次奥林匹克圣火的降临都是东道主向全世界展示自己的难得机遇,也是主办国进一步扩大国际化的最佳契机。
  • 对话IP人|陶鑫良:法学人才要“瘦身减肥”,管理人才要 “强身扩体”

    随着我国从“知识产权大国”向“知识产权强国”迈进,面对知识产权保护范围不断扩大、知识产权保护水平日益提高、知识产权保护力度逐年加强的国内外形势,我国对知识产权应用型人才的同步需求愈发增大。当前我国在知识产权人才培养与需求方面的问题备受关注。为此,本期知产力对话IP人栏目特邀请了资深知识产权专家、大连理工大学知识产权学院院长陶鑫良教授,与他就我国知识产权人才培养的系列议题进行深入对话。
  • 孙磊:游戏诉讼中如何确定“思想”和“表达”

    修生养息地玩了一个月游戏,每天内心中的小天使都会蹦出来说“该去码字了”,而小恶魔马上蹦出来说“是的”——当然,他们俩的话我都没听,我是一个有主见的“银”。这几天,我们来说一说换皮游戏中,如何确定思想和表达。
  • 每周速览|三星请求美国法院阻止华为的中国禁令

    当地时间2月1日,三星电子已经在美国加利福尼亚北区联邦地区法院提出动议,要求华为在当地法院诉讼未决期间阻止执行上个月由中国法院给予的SEP禁令,该禁令要求三星停止制造和销售侵犯华为两项专利的产品。
  • 论道医药专利 | 尾篇:取他人之长,建立符合中国国情的专利链接制度

    健康是全人类的共同诉求,当社会经济发展到一定水平,人们会对生命质量有更高追求。人民健康是最可宝贵的财富,拥有健康的人民意味着拥有更强大的综合国力和可持续发展能力。