清华大学的“魔镜”为中国生命科学赢得了难得的机遇
清华大学的低温电子显微镜平台有助于我国的蛋白质结构研究，杨的优势也弥补了其不足
本报记者权小书，李密，高蓓
生命与蛋白质密不可分。 从调节生理功能的激素，参与营养代谢的酶到运输氧气的血红蛋白以及与疾病抗争的抗体，蛋白质是基本物质。 如何使用和开发先进的技术手段来观察这些纳米尺度的小世界一直是科学界关注的前沿领域。
2011年，中国开始建立国家蛋白质科学研究设施。 作为该设施的重要基地，清华大学在过去十年中建立了世界上最大的低温电子显微镜（以下简称“低温电子显微镜”）平台。 凭借这一优势，中国科学家在蛋白质结构研究领域取得了许多举世瞩目的成就。
例如，史一功的研究小组对负责核内遗传的剪接体进行了一系列研究，其结果已连续在国际顶级期刊上发表。 隋森芳院士团队解决了捕获植物光能的蛋白质复合物的重要结构。 杨茂军团队分析了呼吸链复合体的三维重建为呼吸研究提供了新的视角。
“在人体中有成千上万种不同的蛋白质，核酸和它们形成的复合物。它们就像一个很小的分子机器。如果您能弄清它们是由哪些部分组成的，以及这些部分是如何组装的，了解分子机器如何工作以及如何修复故障机器具有重要意义。” 清华大学低温电子显微镜平台的首席建设者，清华大学生命科学学院院长王宏伟说。
尽管冷冻电子显微镜现在已经成为蛋白质研究的主流方法，但是它仍然是一种利基技术，在本世纪的前十年中并不完全乐观。 正是在这一时期，清华大学决定开始建立一个低温电子显微镜平台，这为中国生命科学的发展赢得了宝贵的机会。
“现在看来，这是一个非常重要的决定。它在过去十年中在我国在低温电子显微镜领域的领先地位中发挥了非常重要的作用。” 王宏伟说。
冻结了生活的奥秘
在1930年代，世界上第一台电子显微镜问世，从那时起，科学家就能够观察细胞的内部结构。 然而，当观察诸如蛋白质大分子的天然生物样品时，电子显微镜是无能为力的。
王宏伟解释说，生物样品中含有水，但电子显微镜内部通常处于高真空状态。 将生物样品放入其中后，水将迅速蒸发，其自然结构也会相应变化。 “这就像观察木乃伊，看不到人体的自然状态。”
在1970年代和1980年代，科学家逐渐开发了冷冻电子显微镜技术，但距离成熟的应用还很远。 结构生物学家更多地使用X射线晶体学，但是许多复杂的大分子物质很难获得晶体。 通过这种方法可以分析相对较少的生物样品的精细结构。
在过去的十年左右的时间里，低温电子显微镜技术不断发展，仿佛将一束光束投射到生命的浓雾中，其“近原子”分辨率逐渐揭示出负责蛋白质的真正含义。生活活动来自“黑匣子”。
秘密在于“冻结”一词。 “我们将生物大分子溶液滴在直径仅为3-4毫米的金属载体网上，形成非常薄的水膜，然后在几毫秒内将其冷冻至液氮温度（-196°C以下）。由于速度非常快，生物样品中的水不能结晶或蒸发，而是形成一层薄薄的冰，然后将其保持在低温下，并在电子显微镜下观察它们的内部结构。 ” 王宏伟说。
2017年，三位开发低温电子显微镜技术的科学家被授予诺贝尔化学奖，确立了该技术的主流地位。 自从新王冠流行病爆发以来，科学家们已经使用低温电子显微镜技术对新的王冠病毒进行了一系列的三维重建，从而使这一尖端技术更加广为人知。
清华大学王新权和张林奇研究小组利用冷冻电子显微镜分析了新冠状病毒表面棘突蛋白受体结合区一些关键氨基酸位点的突变，这对于分析冠状病毒具有重要意义。这些突变对新型冠状病毒的毒性和感染性的影响。
“基于这些位点突变，研究人员可以评估，修饰或设计药物和疫苗以使其更具特异性。从长远来看，利用已知的蛋白质结构，科学家甚至可能希望开发出更广泛的抗病毒药物。”王宏伟他说，为现代生物制药服务是冷冻电子显微镜技术发展的重要目标。
一生一次的机会
回顾过去十年回国建立低温电子显微镜平台的经历，王宏伟感叹道：他的收入一直超出预期。
2001年，他去美国做博士后研究员。 2009年，他成为耶鲁大学的助理教授，并建立了独立实验室。 王宏伟本可以在既定的轨道上早日实现自己的学术梦想。 2009年底，王宏伟回到中国探亲。 在他的母校清华大学，他会见了当时的清华大学生命科学与医学研究所副所长史一功教授，以及他的导师隋森芳院士。 两人邀请他回到中国，建立了世界一流的低温电子显微镜中心。
2009年，清华大学安装了亚洲第一台低温电子显微镜。 但是这项技术的方向仍然不清楚。 西方同事甚至质疑将来是否会使用低温电子显微镜设备？
“的确，我已经认真考虑过。世界一流的低温电子显微镜中心对我来说非常有吸引力，这可能是千载难逢的机会。” 自1996年进入清华大学攻读博士学位以来，他一直在工作。 研究低温电子显微镜的科学家回忆说。
2011年，王宏伟辞去了耶鲁大学的工作，回到清华大学。
与已经完成的项目和成熟的科研团队告别，王宏伟回国后有很多工作要做。 “起初没有人，所以我从技术员到平台主管一一招募；我与学校就人员设置，机构数目和薪水进行了谈判；我去了制造商进行选择和购买。低温电子显微镜设备…”
2014年，清华基地的低温电磁设备基本到位，中国成为该领域的领导者。 使王宏伟更加高兴的是，正是在此期间，低温电子显微镜技术从硬件到软件的许多突破都极大地提高了该技术的效率和准确性。
在技术创新浪潮的推动下，清华大学低温电子显微镜平台主任雷建林教授开发了一套自动数据收集软件。 “之前，研究人员必须坐在显微镜前手动拍摄一张照片，并且每个人都必须手动调整相关参数。要为一个项目收集一组数据，您需要拍摄成百上千张照片“坐下来需要几天时间。”王宏伟说。
“现在，只要花两三个小时来选择样品并设置参数，以下所有事情都可以由计算机自动完成，这不仅提高了效率，而且显微镜的稳定性更强。” 王宏伟说。
花时间磨自己的刀
目前，清华大学的低温电子显微镜平台共有十几个设备，其中包括4个300 kV高端设备，它们全天候24小时全负荷运行。 该平台每个月可以完成两到三百个项目的数据收集。
“即使如此，仍不足以满足需求。我们面对的用户已经从结构生物学的原始领域扩展到细胞生物学乃至神经生物学领域。将来，临床医生可能会使用我们的设备。因此，需求将增加。更大的需求。” 王宏伟说。
清华大学的低温电子显微镜平台不仅向国内用户开放，而且从其建设之初就向世界开放。 在过去的十年中，它为来自美国，英国，日本和新加坡的科研团队提供了服务。
据王宏伟介绍，五六年前，来自美国，英国和其他国家的科学家开始以清华低温电子显微镜平台为参考，说服各自政府投资建设自己的低温电子显微镜。中心。
“清华基地几乎每年都会组织一到两次全球技术培训课程或学术交流会议。通过我们的培训课程和学术会议，许多人已经对冷冻电子显微镜技术有了更多的了解和掌握，以建立自己的低温库电子显微镜中心和更好地利用冷冻电子显微镜技术奠定了良好的基础。”
但是，王宏伟非常清楚，为了保持创新的优势和生命力，仅仅增加一些设备是不够的。 需要克服的主要缺点-中国目前没有能力生产自己的冷冻EM设备。
低温电子显微镜设备有成千上万的零件，而中国所有科研机构使用的所有低温电子显微镜设备，从螺钉到最复杂的电子枪部件，都来自国外厂商。
“这也是我们一直在思考的问题。” 王宏伟指出，具有自主知识产权的低温电子显微镜工具和方法的开发和建设应成为下一步工作的重点。
在“第十四个五年计划”和2035年的长期目标纲要中，中国强调了创新在整体现代化建设中的核心地位，并要求科技自力更生作为国家发展的战略支撑。
“作为基础研究的工具，低温电子显微镜必将在促进技术创新中发挥非常重要的作用。” 王宏伟说，他的团队一直在研究和开发原始的低温电子显微镜技术和方法，包括创新的仪器和设备。
“以前，我们是从别人那里买刀的，砍柴的结果是显而易见的。现在，我们必须花时间磨刀，才能砍出更多更好的木柴。” 王宏伟说。 （陈浩权和吴萌也对本文有所贡献）