清华“魔镜”为中国生命科学赢得宝贵先机
助力我国蛋白质结构研究的清华大学冷冻电镜平台，扬优势也在补短板
本报记者全晓书、李宓、高蓓
生命离不开蛋白质。从调节生理功能的激素、参加营养代谢的酶，到输送氧气的血红蛋白、抵抗疾病的抗体，都是以蛋白质作为基本材料。如何使用和发展先进的技术手段来观测这些纳米级别的小小世界，一直是科学界聚焦的前沿领域。
2011年，中国开始筹建国家蛋白质科学研究设施，清华大学作为该设施的一个重要基地，在过去十年里建成了世界上最大的冷冻电子显微镜(以下简称“冷冻电镜”)平台。借助这一优势，中国科学家在蛋白质结构研究领域取得了很多举世瞩目的成就。
比如，施一公团队对细胞核内负责遗传的剪接体进行了一系列研究，成果连续登上国际顶级期刊；隋森芳院士团队将植物捕获光能的蛋白质复合体的重要结构解析出来；杨茂君团队对线粒体呼吸链复合物的三维重构为研究呼吸作用提供了新视角。
“人体里有几十万种不同的蛋白质、核酸以及它们所形成的复合体，它们就像一台台很小的分子机器。如果能够搞清楚它们由哪些零件组成，以及这些零件如何装配，对于理解分子机器本身怎样工作，以及如何维修故障机器，都有重要意义。”清华冷冻电镜平台主要建设者、清华大学生命科学学院院长王宏伟说。
尽管冷冻电镜现在已成为蛋白质研究的主流手段，但在本世纪头十年里还是一门不被完全看好的小众技术。正是在这一时期，清华决定起步建设冷冻电镜平台，为中国生命科学的发展赢得了宝贵先机。
“现在看来，这是一个非常重要的决定，对于过去十年我国在冷冻电子显微学这个领域处于世界上较为领先的地位，发挥了十分重要的作用。”王宏伟说。
冷冻住生命的奥秘
上世纪三十年代，世界上第一台电子显微镜问世，科学家自此可以观察到细胞内部结构。然而，在观察蛋白质大分子等天然状态的生物样本时，电子显微镜却无能为力。
王宏伟解释说，生物样品含水，但电子显微镜内部一般为高真空状态，生物样品放置其中，水分会很快蒸发，其天然结构就会随之发生变化。“这就好比我们观察木乃伊，看到的并不是人体的天然状态。”
上世纪七八十年代，科学家逐渐发展出冷冻电镜技术，但离成熟应用还有很大差距。结构生物学家更多使用X射线晶体学，但很多复杂大分子物质难以获得晶体，可借助这种方法进行精细结构分析的生物样品相对较少。
过去十几年，冷冻电镜技术不断进步，犹如向厚重的生命迷雾投下了一束光，其“近原子级别”的分辨率让承担生命活动的蛋白质逐渐从“黑匣”中露出真容。
秘诀就在“冷冻”二字。“我们把生物大分子溶液滴在直径只有3至4毫米的金属载网上，形成一层非常薄的水膜，然后在毫秒之间把它冷冻到液氮温度(-196℃以下)。因为速度非常快，生物样本里的水分无法结晶，也来不及蒸发，而是形成一层薄冰。我们再把这样的样本保持低温放置在电子显微镜下观察，就可以获得它们的内部结构了。”王宏伟说。
2017年，三位发展冷冻电镜技术的科学家被授予诺贝尔化学奖，奠定了这一技术的主流地位。新冠疫情暴发以来，科学家们凭借冷冻电镜技术对新冠病毒的一系列三维重构，让这一前沿技术更为大众所了解。
清华大学王新泉和张林琦团队借助冷冻电镜，解析出新冠病毒表面刺突蛋白受体结合区一些关键氨基酸位点的突变，对于分析这些突变对新冠病毒毒性和感染能力的影响具有重要意义。
“根据这些位点突变，科研人员可以评估、改造或设计药物和疫苗，使其特异性更强。长远来讲，利用已知蛋白质结构，科学家甚至有希望研发出更加广谱的抗病毒药物。”王宏伟说，服务现代生物制药，是冷冻电镜技术发展的一个重要目标。
一辈子一次的机会
回忆起十年来回国建设冷冻电镜平台的经历，王宏伟由衷感慨：自己的所得一直超出期望。
2001年赴美做博士后，2009年成为耶鲁大学助理教授并组建独立实验室，王宏伟原本可以沿着既定的轨道早一步实现自己的学术梦想。2009年底，王宏伟回国探亲，在母校清华遇到了时任清华大学生命科学与医学研究院副院长施一公教授和自己的导师隋森芳院士，两位邀请他回国建设一个世界顶级冷冻电镜中心。
2009年，亚洲首台冷冻电镜在清华安装落成。但这项技术的走向尚不明朗。西方同行甚至质疑，冷冻电镜设备未来有没有人用？
“确确实实，我经过认真的思考。一个世界顶级的冷冻电镜中心，对我有很大的吸引力，可能是一辈子才有一次的机会。”这位从1996年进入清华读博就一直从事冷冻电镜研究的科学家回忆说。
2011年，王宏伟辞去耶鲁的工作，回到清华。
告别已经开展的课题和成熟的科研团队，王宏伟回国后面对的工作千头万绪。“刚开始没人，我就从技术员到平台主管一个一个去招；跟学校协商人员设置、编制数目、待遇薪酬；去厂家选型采购冷冻电镜设备……”
2014年，清华基地冷冻电镜设备基本到位，中国一跃成为这一领域的领头羊。而更令王宏伟高兴的是，恰恰就在这一时期，冷冻电镜技术从硬件到软件的多方面突破大大提升了这一技术的效率和精度。
在技术革新浪潮带动下，清华冷冻电镜平台主管雷建林教授开发了一套数据自动收集软件。“之前，研究人员要坐在显微镜前一张一张手动去拍照片，每一张都要人工调好相关参数。一个项目收集一套数据，需要拍摄几百到上千张照片，科研人员在显微镜前一坐就要好几天。”王宏伟说。
“现在，只要花两三个小时挑选样品、设置参数，后边的事情就可以全部交由计算机自动完成，不仅提高了效率，而且显微镜的稳定性也更强。”王宏伟说。
花时间磨自己的刀
目前，清华冷冻电镜平台共有十多台设备，包括4台300千伏的高端设备，所有设备24小时满负荷运转。每个月，平台可以完成两三百个项目的数据采集。
“即使这样，还不足以满足需求。我们面对的用户从原来的结构生物学领域拓展到细胞生物学、甚至神经生物学领域，未来可能会有临床医生使用我们的设备。所以，需求会越来越大。”王宏伟说。
清华冷冻电镜平台不仅面向国内用户，而且从建设之初就向全球开放，过去十年来已为来自美国、英国、日本和新加坡等世界各地的科研团队提供服务。
据王宏伟介绍，美英等国的科学家从五六年前开始以清华冷冻电镜平台为参照，说服各自政府投资建设自己国家的冷冻电镜中心。
“清华基地几乎每年都会组织一到两场面向全球的技术培训班或学术交流会，很多人通过我们的培训班和学术会议，对冷冻电镜技术有了更多的了解和掌握，为建设他们自己的冷冻电镜中心和更好地使用冷冻电镜技术打下了很好的基础。”
不过，王宏伟很清楚，想要保持创新的优势和活力，仅靠增加几台设备是不行的，还需要克服一个重大短板——中国目前还没有能力生产自己的冷冻电镜设备。
一台冷冻电镜设备，大大小小零部件加起来有上万件，而中国所有科研单位使用的冷冻电镜设备，小到一个螺丝钉，大到最复杂的电子枪元件，全部来自国外厂家。
“这也是我们一直在思考的问题。”王宏伟指出，研发建设具有自主知识产权的冷冻电镜工具和方法，应该成为下一步布局的重点。
我国在“十四五”规划和2035年远景目标纲要中强调创新在现代化建设全局的核心地位，并要求把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。
“作为基础研究的工具，冷冻电镜必将在推动科技创新方面发挥非常重要的作用。”王宏伟说，他的团队一直在研究开发原创性的冷冻电镜技术和方法，包括创新型的仪器和设备。
“以前，我们从别人那儿买刀，砍柴的成果很明显。现在，我们要花时间磨自己的刀，去砍更多的柴、更好的柴。”王宏伟说。(陈昊佺、吴梦对此文亦有贡献)