給分子拍部“高清電影”（科技大觀）

席 正

不久前，英國牛津大學牽頭的一個研究團隊宣布，他們將常規冷凍電子顯微鏡(冷凍電鏡)的分辨率提高了3倍，成功解析了雞蛋清中一種名為溶菌酶的小蛋白質的精細結構；中國科學技術大學團隊也取得一項重大突破，通過利用創新的冷凍電鏡技術，破解了神經信息傳遞中突觸囊泡釋放與快速回收的生物物理過程，解決了半個世紀以來學界對突觸傳遞機制的爭議……近年來，生物學領域許多重要發現的背后都有冷凍電鏡的身影。如今，這項技術正從“拍靜態照片”邁向“拍動態電影”，成為科學家觀察生命微觀活動最有力的工具之一。

細胞的微觀世界有著復雜的運行規律。長期以來，人們很難看清其真實面貌。顯微鏡技術的發展進步，助力微觀世界探索不斷向縱深處發展。普通光學顯微鏡受可見光波長限制，分辨率只能達到約0.2微米，遠不足以分辨蛋白質等納米尺度的分子結構；傳統電子顯微鏡雖然分辨率更高，卻需要在真空環境中操作，樣本必須脫水、染色并固定，導致生物分子失去天然構象，甚至被電子束灼燒破壞。1974年冷凍電鏡技術的問世，帶來了一場新的革命。

冷凍電鏡技術的思路非常巧妙：將含生物分子的溶液制成薄薄的水膜，在毫秒之內投入到零下180攝氏度左右的液態乙烷中，使其瞬間形成“玻璃態冰”——既不膨脹結晶也不蒸發，將分子“凍結”為瞬間姿態。這種“速凍”方式就像按下暫停鍵，把生命分子的活動定格在某一幀。

接下來是“拍照”，用高能電子束照射樣本。由于電子的波長只有可見光的幾千分之一，其成像精度可達原子級別。配合高靈敏度的直接電子探測器(類似于數碼相機中的圖像傳感器CCD)，可以精準捕捉穿過樣本的電子信號，生成大量清晰的二維投影圖像。

最后一步是“拼圖”，即通過計算機將這些二維圖像整合起來，重構出高精度的三維結構模型。這項技術的優勢在于“原汁原味”——無需染色或強迫分子結晶，即便是脆弱的大分子也能自然“上鏡”，并且可以拍攝到難以定型的柔性分子、細胞內部的精細構造以及病毒入侵等過程。

不過，傳統冷凍電鏡本質上仍是“靜態攝影”，它捕捉的是分子在某一瞬間的構象。要真正理解生命，不僅要知道“它長什么樣”，更要明白“它是怎么動的”。近年來，科學家又開發出時間分辨冷凍電鏡，在生物反應啟動后的特定時間點快速冷凍樣本，再通過一系列“時間切片”，復現分子變化的全過程。

此次中國科學技術大學自主研發的毫秒級時間分辨冷凍電鏡技術正是基于這一理念，在冷凍同步精度、原位高分辨三維重構等方面實現了提升。團隊將光遺傳學刺激反應與毫秒級投入冷凍方法相結合，不用將神經突觸從細胞中分離，可以直接在接近生理狀態的環境下開展觀測。通過激光精準觸發神經信號后，在4毫秒至300毫秒的關鍵時間窗口內完成急速冷凍，首次清晰拍到突觸囊泡“親吻”細胞膜、形成微小通道釋放信號分子，之后又“收縮離開”的完整動態鏈——相當于制作了一部分子尺度的“高清影片”。這一成果不僅統一了半個世紀以來學界關于突觸囊泡釋放與回收機制的爭議模型，還為理解神經信號傳遞、神經可塑性及相關腦疾病機理提供全新視角。

展望未來，冷凍電鏡將朝著“更快、更真、更普及”的方向加速演進。在速度上，科研人員正努力將時間分辨能力從毫秒推進至微秒甚至納秒級，以捕捉蛋白質折疊等超快生化反應；在精度上，分辨率將沖擊0.1納米，以清晰分辨單個原子的運動軌跡；在應用層面，可快速解析新發病毒結構，加快藥物研發，還能指導納米材料等創新研究。更值得期待的是，隨著設備小型化、自動化和成本下降，桌面級冷凍電鏡有望進入普通實驗室、基層醫院、學校課堂。到那時，冷凍電鏡將會像常規顯微鏡一樣，讓更多人有機會看到精彩的微觀世界，揭開更多生命的奧秘。

(作者為中國科學技術大學科技傳播系副研究員)

《 人民日報 》( 2026年03月02日 13 版)