[科普中国]-化学奖又双叒颁给了非化学科学家

当大家都在预测自己所在的学科，究竟是什么研究成果能拿诺贝尔奖的时候，有这么一群人对此异常淡定，那就是我们这些化学狗。

一般我们会关注下究竟有哪些生物领域、物理领域的成果，能拿化学奖。

2016年分子机器爆冷（相信我，我们根本没想到有生之年能看到化学家拿化学奖）获得诺贝尔化学奖之后，足够好（Goodenough）教授的锂电池再次与2017年诺贝尔化学奖擦肩而过，诺贝尔化学奖也重归正常，遵循了“能不给化学家就不给”的传统，颁发给了头衔跟化学毫无关系的三位生物物理学家。

三位诺奖得主分别是：

生物物理学教授A，生物物理学教授B，生物物理学教授C。

说正经的，三位获奖大佬分别是：

理查德·亨德森（Richard Henderson）

剑桥MRC分子生物实验室生物物理学教授，生于1945年，于38岁当选英国皇家学会院士。

在使用电子显微镜测定生物大分子结构的时候，为了清晰的图像必须保证一定的电子束强度，然而生物样品对强电子束的耐受能力极低，除非牺牲图像精度，否则很难获得高质量的生物分子结构图像。

此外，基于电子显微镜的工作原理，为了避免空气粒子对喷射电子束的干扰，样品需要放置于真空中观察，这将导致生物分子失水干燥，失去本身的结构，得到无用的图像。这一系列原因导致在二十世纪三十年代左右，科学家们认为电子显微镜只适用于非生物样品的研究，解析生物分子结构更是天方夜谭。

然而，理查德·亨德森选择的特殊蛋白质——细菌视紫红质拯救了这个课题，并成为诺奖故事的开端。

亨德森通过利用葡萄糖溶液保护细菌视紫红质，同时调低轰击到样品表面的电子束强度。此外，他将这种蛋白质连同其所在的细菌细胞膜一起进行观察，这样蛋白质在生物体结构中原本的构造和形态就能得以保全。更妙的是，他意识到细胞膜表面大量的同类蛋白质，实际上和晶体中的原子排列一样，都有着严整的空间排布。

当所有蛋白质被电子束以几乎相同的入射角度衍射时，就可以得到清晰的衍射花样。安德森用X射线衍射图像处理类似的方法通过计算衍射图像来得到更加精确的空间结构。就这样，亨德森于1975年得到了细菌视紫红质较为粗糙的3D模型，分辨率已经达到了0.7纳米，在当时可以说是惊为天人了。

人类第一张电子显微镜下细菌视紫红质的3D结构模型（图片来源于www.nobelprize.org）

然而亨德森的野心不止于此，他的目标是至少达到和X射线晶体学成像类似的分辨精度，也就是0.3纳米左右。他相信，总有一天电子显微镜可以达到X射线结晶衍射级别的精度，成为主流。

经过十五年的努力，1990年，亨德森终于拿到了细菌视紫红质更为精确的结构解析图。

亨德森在1990年发表的细菌视紫红质结构图精度与x射线相同均为0.3纳米（图片来源于www.nobelprize.org）

约阿西姆·弗兰克（Joachim Frank）

德裔生物物理学家，现为哥伦比亚大学教授。他改进了冷冻电镜的分析手段。

图片来源于www.nobelprize.org

1975年，约阿西姆·弗兰克萌生了将不同角度拍摄的样品通过整合变成高分辨率三维模型的想法。而想法毕竟是想法（大坑），为了完成这个课题，弗兰克（和他手下）耗费了十多年之久。

弗兰克首先让随机分布的蛋白质被电子束冲击，这样就会得到各种各样的轨迹。我们可以理解为，同一个人在太阳底下做不同的姿势，照出来的影子是不同的。

1981年，弗兰克终于完成了一种算法，利用计算机识别图像把相同蛋白质的不同影子收集起来，并且将轮廓相似的图像进行分类对比。接下来，通过分析不同的重复模式将图片拟合成更加清晰的2D图像。

最后，在此基础上，通过数学方法，在同一种蛋白质的不同2D图像之间建立联系，以此为基础拟合出3D结构图像。

弗兰克的图形拟合程序是冷冻电镜发展的基础。

雅克·杜波什（Jacques Dubochet）

瑞士人，瑞士洛桑大学生物物理学名誉教授，他开发了成熟的、可用于生物分子（biomolecule）的冷冻电镜制样技术。

前文提到，1975年，亨德森通过利用葡萄糖溶液保护细菌视紫红质不被脱水破坏得到了人类史上第一张生物分子结构的3D电子显微镜图像。

然而，该法并不适用于绝大多数生物分子，当时亨德森所用的较低电子束强度也难以实现高分辨率的成像。这就好比黑夜中想要看清目标应该用强光手电筒一样，如何能在不破坏生物结构的前提下制备出能够经受得住高强度电子轰击的样品，一度困扰着生物电镜领域。有些研究者想到了冰，因为冰相对于水来说挥发速度更慢。他们尝试着将样品冻住之后进行测量。新的问题出现了，冰作为结晶，同样也在电子束下发生衍射，这样得到的图像是无法准确描绘出分子结构的，只能作废。

1978年，杜波什加入了位于海德堡的欧洲分子生物研究所，开始着手解决这个问题。

在真空条件下，水分的蒸发是一个主要问题，而冰虽然是固体，却是结晶，干扰结果。杜波什从中想到了一条潜在的解决方案:让水在变成晶体之前凝固！

一般情况下，通过氢键的相互作用，水分子会在凝固过程中形成有序排列，最后形成晶体。而杜波什显然不是一般人，他想到了在水分子相互作用发生之前，就让水凝固，形成一种“玻璃”。这样得到的“玻璃水”，虽然是固体，但却不存在晶格，不会生成规律的衍射花样，就不会对最后得到的数据造成影响。

图片来源于www.nobelprize.org

上图为杜波什开发的一般制样操作流程。

有意思的是，实验结果表明，直接将待测样品浸入液氮是无法成功得到“玻璃水”的。要想成功制得样品，需要将样品浸入经历了液氮冷却的乙烷之中。

总结一下，今年获得诺贝尔生物物理学奖的三位教授（别…… 别……有，有话好好说嘛，拿枪指着我干什么……）……

重新来。总结一下，今年获得诺贝尔化学奖的三位教授在冷冻电镜的开发过程中做出了杰出的贡献，令观察生物分子活动变化成为可能，让科学家们能够更好得理解生命现象或者生命活动，使得生物（化学）研究工作进入了一个新的纪元。

而作为化学狗，还是抱着一点点私心，希望有朝一日诺贝尔化学奖能够告别理综，颁给纯化学领域的研究。