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冷冻电镜赢得诺奖 中国赢得冷冻电镜

  2017年的诺贝尔化学奖颁发给了三位物理学家,他们的科学成就冷冻电镜却成了生物学研究的“神器”。虽然三位诺奖获得者分别来自瑞士、美国和英国,但在这一领域,中国与美国比肩,堪称世界上冷冻电镜拥有数量最多、应用水平最高的国家。但另一方面,对这一昂贵设备竞相投入的大手笔,却难掩中国在重大基础性方法研究上的差距

  中国新闻周刊记者/钱炜

  2008年,王宏伟结束了在美国劳伦斯伯克利国家实验室的工作时,拿到了几个offer,其中包括母校清华大学的教职。考虑再三后,他选择了去耶鲁大学。那时候,耶鲁已经有一台老型号的冷冻电镜而清华一台都没有。不过,这在当时还不是决定性因素,王宏伟说,选择耶鲁,更多还是出于对世界一流名校的向往。

  到了2009年底,已在耶鲁拿到终身职位的他回国开会,顺便到访清华,才得知清华已经购买了当时世界上最新最高端的美国FEI公司生产的300KeV“Titan”型号冷冻电镜。清华也因此急需熟悉电镜技术的人才,因为王宏伟是这个领域的专家,时任清华大学生命科学学院院长的施一公再度向他发出了回国邀请。王宏伟说,“回美国后,我告诉耶鲁,如果他们能购买一台最新的冷冻电镜,我就留下来。但校方对购买电镜一事犹豫不决。权衡多方因素,我最终还是回到了母校。”

  王宏伟回来后,清华很快又购买了两台Titan型号冷冻电镜,这样就有3台高端冷冻电镜,再加上中低端设备,共有7台电镜。在2013~2015年间,清华大学生科院是世界上最大的冷冻电镜研究中心。

  2016年8月,已经是清华生科院院长的王宏伟,与施一公、雷建宁合写了《冷冻电镜在中国》一文,发表在英文学术期刊《蛋白质科学》上。根据该文,当前,中国的冷冻电镜正处于快速发展阶段。而今年10月三位科学家因发明冷冻电镜而获得诺贝尔化学奖,让这一研究领域愈发炙手可热。

  冷冻电镜2.0时代

  “最近,我第50次收到邮件,咨询应该如何建一个最新型的冷冻电镜设施。今天,如果你有机会问一个世界知名大学的校长:‘您的学校生命学科发展有哪些最需要的设备?’冷冻电镜很可能是居于首位的选择……与此形成鲜明对比的是,5年前,相当多的大学还在考虑是否应该在本校设立冷冻电镜这个研究领域;10年前,绝大多数学校可能还不知道居然有一种电子显微镜要用“冷冻”来做定语。”王宏伟发表在中国生物物理学会官方微信公号上的文章这样写道。

  如他所说,冷冻电镜的发展并非从一开始就势如破竹。X光晶体学、冷冻电镜与核磁共振(NMR)是结构生物学的三大研究手段。冷冻电镜的原理,就像中国武术里的点穴功夫一样,将正在活动的人一瞬间定住,再用相机拍照。

  具体地说,冷冻电镜就是在传统的电子显微镜之上,加了一个对生物样品的冷冻环节。样品在液氮中冷冻起来,通过超低温传输系统置于电镜的冷台上,用高能量的电子束去照射冷冻样品成像,并将图像记录下来,再在电脑中利用软件对得到的图像进行分析处理,最终得到蛋白质结构。

  冷冻电镜的概念是在上个世纪70年代就被提出,技术发展也是从70年代开始的。但由于分辨率远逊于X光晶体学,一直以来并不是结构生物学的主流研究方法。直到2013年,美国加州大学旧金山分校的程亦凡团队利用改进后的冷冻电镜成功解析出TRPV1蛋白结构,局面才有了根本性转变。

  程亦凡在电话接受《中国新闻周刊》采访时解释说,他们之所以能取得成功,主要是相机的突破与算法的改进。在相机方面,他们研发出直接电子探测器与单电子计数技术。过去,冷冻电镜用的是传统CCD相机,要先将电子转换成光子,再由CCD记录光子信号,这导致拍照的速度很低,信噪比差,图像分辨率不高。

  程亦凡的同事、美国科学院院士David Agard教授是相机研发领域的专家,在上世纪90年代初期就参与了第一代CCD相机的研制。在很多年前,Agard就认为,单电子计数技术是最先进的,一直在做研究。当时,整个业界大部分的科学家们都不看好这一方向,认为技术上达不到,有人甚至在开会时直接宣称单电子计数是不可行的。但Agard力排众议推进此事,在与劳伦斯伯克利国家实验室及Gatan公司的合作下,最终开发出运用单电子计数技术的直接电子探测器,也就是后来被Gatan公司商业化的K2相机。

  如果说今年的三位诺奖得主研发出来的冷冻电镜是1.0版本的话,程亦凡团队的贡献,就是直接使电镜升级进入到2.0时代。这也是有人认为程亦凡足可以获诺奖的原因。对此,他一笑了之,似乎并未当真。

  FEI公司在科学上的决策失误也令他们痛失商机。尽管清华的3台高端冷冻电镜都是该公司的产品,但相机配备的却都是Gatan公司的K2,这就像攒电脑一样。如今这也是国际上高端冷冻电镜的主流配置。

  王宏伟评价说,冷冻电镜是一个高度交叉的领域,它综合了光学、材料、生物、计算科学等多个学科。像程亦凡就是物理学背景出身,后来又成长为一名分子生物学家,因此,他能够从生物学应用的角度,参与到冷冻电镜的技术研发中。他的贡献,同时在于冷冻电镜方法本身与电镜应用研究两个方面。

  程亦凡则表示,过去,晶体学家们一直对冷冻电镜不以为意,因为冷冻电镜能解析的结构,都是晶体学手段已经可以做到的。但TRPV1蛋白结构是晶体学家们多年来一直想获得而未能成功的“圣杯”。因此,当他的团队首次利用改进后的冷冻电镜解开该蛋白结构后,“整个晶体学界意识到,电镜可以做我们做不了的东西。从那以后,国际上很多著名的晶体学实验室,连夜决定改变方向,再也不做晶体学了,要开始做电镜。”

  身为一名曾经主要依靠晶体学手段来做研究的结构生物学家,施一公也曾于2015年表示,原来冷冻电镜和X射线晶体衍射对结构生物学的贡献是1:10,而过去一年,这个比例几乎倒了过来。

  清华“押对了宝”

  在北京晚秋的一个周末,《中国新闻周刊》记者来到位于清华大学生科院一楼的实验室,看到一座高达4米的冷冻电镜镜筒顶天立地矗立在房间里。另外两台Titan号冷冻电镜,安装在院子中间临时加盖的平房里——足见所有人最初都未充分预见到冷冻电镜后来的发展趋势。尽管是周末,仍有两个团队在电镜上做试验。

  王宏伟表示,现在清华的三台Titan电镜都是满负荷运转,所有想来做试验的团队都要排队。即使是校内课题组申请使用,也至少要排队等上两个星期左右。“因为要做试验的太多了,我们是人休息电镜不休息。假如正好是过年期间排上了机时,就不能放假,要在这守着做。”

  王宏伟也在文章中表示,如今,全世界所有的冷冻电镜平台都人满为患。高端仪器设备的供不应求,已经成为结构生物学家抱怨最多的问题之一,甚至可能比对经费申请困难的抱怨还要多。在他们建设清华冷冻电镜平台时,曾有人担心:“这么多的高端冷冻电镜,未来会有足够的人使用吗?它们的运行费用将如何维持?”今天,令王宏伟和同事们遗憾的是,当初没有规划更多的设备与空间,导致现在的运行机时非常紧张。

  2011年以来,清华生科院以第一作者单位在国际顶尖杂志 CNS(即《细胞》《自然》《科学》三大学术期刊)上发表论文40篇,其中,2016年发表13篇。王宏伟表示,如今,在结构生物学领域,清华的一举一动都受到国际同行的密切关注。

  外界有人认为,清华生科院近年来表现抢眼,应归功于冷冻电镜。这虽并不公允,却也道出了部分原因。

  2015年,施一公团队首次捕获剪接体高分辨率结构,解决了业界多年以来未能突破的难题。当时,他在新闻发布会上表示,“如果没有冷冻电镜技术的革新,就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。”回顾过去,王宏伟说,清华能有今天的成绩,得益于在冷冻电镜尚未成为主流之前就提前布局。而这一决策,有一定的运气成分,但更多是历史的必然性。

  清华一直有电镜研究的传统与基础,王宏伟的导师隋森芳院士从1990年代就开始从事电镜方面的研究,他本人在清华生物系攻读硕士研究生与博士阶段,研究的也正是电镜技术。

  2007年,当“千人计划”的标杆人物施一公回国后,清华决定建设新的结构生物学实验设备。当时,上海光源的建设已经为X光晶体学提供了应用基础,北京大学有一套NMR设备,结构生物学的三大研究手段中只有冷冻电镜在国内还是空白。施一公结合国际前沿情况,判断冷冻电镜将是未来结构生物学的发展方向,因此,他联合隋森芳与王志新两位院士,说服清华大学,斥巨资3000万人民币,购买了清华也是全亚洲第一台高端冷冻电镜。

  “当清华购买第一台电镜时,程亦凡革命性的研究成果尚未出炉。因此,那时候,我们只是觉得电镜是未来方向,需要布局和研究。在这个意义上,也可以说我们押对了宝。”王宏伟表示。

  英国剑桥MRC分子生物学实验室博士后张凯表示,如今,清华生科院与中科院生物物理所是目前国内冷冻电镜水平最高的研究机构,包括电镜应用和方法本身。它们在电镜应用方面的论文产出,已经与世界最顶级机构如剑桥MRC分子生物学实验室相当,超越了世界大多数同行机构。

  疯狂的设备竞赛

  “疯狂”,王宏伟在说到全球冷冻电镜发展情况时,用了这个词。尽管冷冻电镜身价非常昂贵,但“无论是中国还是欧美其他国家,冷冻电镜都处于疯狂的发展阶段”。

  8年前,清华购买第一台300KeV冷冻电镜时,施一公花了两周时间与对方谈判,最终将价格砍到了3000万元人民币,而根据外媒报道,它的公开最新价格已涨到了600万美元折合人民币近4000万。这还没有包括需要额外配备的、身价近400万人民币的K2相机。此外,冷冻电镜一年的运行维护保养成本也有300万左右。

  2017年8月,美国生物化学与分子生物学会的会刊《ASBMB Today》上发表了一篇文章,名字就叫《疯狂的冷冻电镜》。文中,人类基因组工程发起人柯林斯表达了对美国在冷冻电镜平台建设上动作迟缓的焦虑:“在让科研人员获得冷冻电镜的使用机会上,美国已经落在了中国和欧洲的后面。我们非常关注此事并觉得我们应该做些什么。”

  实际上,柯林斯的焦虑可能只是美国这个世界科学界的长期领跑者未雨绸缪的担心。加州大学洛杉矶分校的周正洪教授也是冷冻电镜领域的权威专家。他在接受《中国新闻周刊》采访时表示,当前,在冷冻电镜的数量上,中国和美国堪称平起平坐,都处于领先地位,超过英国与德国,更是远远领先于日本和法国。而亚洲的另一个大国印度最近才刚刚完成第一台冷冻电镜的购买交易。

  王宏伟则表示,虽然清华的冷冻电镜起步早,曾一度领先于世界,但国外赶超得非常快。

  目前,英国的电子生物成像中心(eBIC)与美国纽约的结构生物学中心等几家科研机构拥有的电镜数量已经超过清华或与其持平。截至目前,美国正在运行的高端冷冻电镜已经有30台左右,但很多大学仍在纷纷购买冷冻电镜。NIH(美国国家健康研究所)也在建设自己的电镜中心。据了解,到明年年底,仅300KeV的高端冷冻电镜,美国就将有100台左右;此外,已经拥有10台冷冻电镜的德国,在最近又宣布还将购买17台。

  中国也没有落在人后。继清华大学之后,中科院生物物理所、上海蛋白质中心、北京大学、复旦大学、上海科技大学、四川大学等多家高校与科研机构都纷纷引进高端冷冻电镜。

  2017年,浙江大学宣布,与国内很多电镜中心都是国家投资不同,该校将自筹经费6000万元建设冷冻电镜中心,使之成为国际上配置最齐全、技术覆盖最广的电镜研究中心之一。

  由于有财力雄厚的深圳市的全力支持,刚刚办学还不到10年的南方科技大学已经买入两台冷冻电镜,最近又在购买两台新的电镜。有传闻称,该校未来将拥有更多的高端冷冻电镜。

  根据王宏伟等人的统计,到2017年年底,中国将共有各种型号的冷冻电镜50台,其中高端冷冻电镜20台。到2018年年底,高端冷冻电镜的数字将可能增至30台。

  “到明年年底,全世界的高端冷冻电镜数量将增至200台。这是一个发展非常迅速的领域,设备多了,参与的用户也多了,这对于推动冷冻电镜的技术发展无疑是好事,但我也并不怀疑,并非所有的高端冷冻电镜都会有良好的使用效率与高水平的科研产出。这取决于电镜团队的管理水平、用户的水平、以及设备拥有团队是否有能力对他们的电镜做重要的技术改进与革新。”王宏伟表示。

  对于这场不断升级的高端科研设备“大赛”,程亦凡无法判断中美之间究竟谁将赢得冷冻电镜拥有数量的冠军,但是中国对冷冻电镜的大手笔投资,给他留下了十分深刻的印象。

  他指出,结构生物学发展到今天,如果将其比喻成一棵大树的话,过去能被晶体学家们摘掉的桃子都已经被摘完了。现在的冷冻电镜是一个新梯子,可以帮助人们摘更高处的桃子。因此,他发现,国内一些在此领域毫无基础的科研机构也在购买冷冻电镜,主要就是用来做应用研究。

  在《冷冻电镜在中国》一文中,王宏伟等人就指出,在中国冷冻电镜发展迅速的同时也存在对其基础性方法研究的不足。张凯也认为,由于历史积淀等方面的原因,中国在冷冻电镜的重大基础性突破上与国外顶级机构相比还有不小差距,研究系统性也有一定差距,研究内容的多元化程度不够,多学科相互渗透影响稍弱。在电镜方法方面的研究依然是弱项,尤其是在重大基础性方法研究上的差距可能在很长一段时间很难改变。

  程亦凡说,“他们的思路是,只要购买电镜,就能发很多高影响因子的文章。这是一个好的策略吗?我个人持保留意见。产生这种现象的根源,是国内科研的评价体系存在问题,即‘唯CNS论’。而什么样的文章发CNS最快呢?是结构生物学。”

  身为一名结构生物学家,程亦凡坦言,他一直有一个可能会得罪同行的看法:在生物学界,结构生物学相对而言更像是一个体力活,而不是脑力活。结构生物学的“桃子”在哪里,往往是明确的,只需要工具,有足够的资源和人力,不需要动太多的脑筋。但生物的其他领域里面,“桃子”在哪里还不知道,还需要去找。

  当前的形势是,冷冻电镜研究可以用“如火如荼、日新月异”这8个字来形容。据王宏伟统计,在1980年代,全世界从事冷冻电镜相关研究的课题组不超过20个,总人数也不过100人;到2000年初,已经增至近50个;到2010年左右,以冷冻电镜为主的研究团队已经超过100个。冷冻电镜已经吸引了越来越多数学、物理学、计算机科学、工程学背景的科学家的加入,新概念与新技术不断被引进,因此,未来会有更多更快的技术革新出现,使冷冻电镜技术更上一层楼。

  很多人都问程亦凡,冷冻电镜的下一个技术突破在哪里?在他看来,冷冻电镜目前还是有不少瓶颈问题,但都属于细节上的问题。如果一定要说未来还会有什么飞跃,那就是能不能用冷冻电镜直接去看细胞里面的结构。

  “由于滚雪球效应,冷冻电镜领域今后5年的发展速度,将会大大快于上一个5年。因此,我很期待在未来5~10年内,就看到电镜技术实现这一目标。”程亦凡相信,尽管在5~10年后蛋白结构的解析可能仍无法像如今的基因测序那样的简单、快捷、高效,但随着技术进步,这一天迟早会到来。到那个时候,结构生物学最终将回归到生物学本身。“我现在就经常告诉我的学生,不要只关心解析一个结构,而是要致力于解决一个生物学问题。冷冻电镜只是研究手段,而且只是手段之一。”

  在这个大背景下,程亦凡指出,很多学校认为,买电镜是更快更多发CNS文章的捷径,但实际上能不能“赶上趟儿”却是个问题。“冷冻电镜并不是一个下午就能安装完毕的,从购买、安装、调试、学习使用到真正用于科研,至少需要两年时间。在这段时间里,电镜技术本身可能又有质的飞跃,解析蛋白会变得更加容易。”过去,解析一个蛋白的结构,就能在CNS上发表文章。5年之后,同样的工作恐怕就难以再发表高影响因子的文章了。

  日本就发生过类似的情况:在核磁共振刚发明出来的时候,日本有的机构买了很多台核磁共振设备,但随着科学的发展,这些设备后来都被淘汰闲置了。“当冷冻电镜能够得着的‘桃子’都摘完之后,就需要新的技术来寻找更高处的‘桃子’,到那时,电镜就会成为‘昂贵的摆设’。这对中国的科学发展不是一个好事。”程亦凡说,“业界有人在呼吁,但是现在,我们挡不住这股潮流。”

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