給分子拍部“高清電影” | 科技大觀

來源：【人民日報(bào)中央廚房-一秒世界工作室】

　　不久前，英國牛津大學(xué)牽頭的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們將常規(guī)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(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)也取得一項(xiàng)重大突破，通過利用創(chuàng)新的冷凍電鏡技術(shù)，破解了神經(jīng)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(gè)世紀(jì)以來學(xué)界對突觸傳遞機(jī)制的爭議……近年來，生物學(xué)領(lǐng)域許多重要發(fā)現(xiàn)的背后都有冷凍電鏡的身影。如今，這項(xiàng)技術(shù)正從“拍靜態(tài)照片”邁向“拍動(dòng)態(tài)電影”，成為科學(xué)家觀察生命微觀活動(dòng)最有力的工具之一。

　　細(xì)胞的微觀世界有著復(fù)雜的運(yùn)行規(guī)律。長期以來，人們很難看清其真實(shí)面貌。顯微鏡技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，助力微觀世界探索不斷向縱深處發(fā)展。普通光學(xué)顯微鏡受可見光波長限制，分辨率只能達(dá)到約0.2微米，遠(yuǎn)不足以分辨蛋白質(zhì)等納米尺度的分子結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)電子顯微鏡雖然分辨率更高，卻需要在真空環(huán)境中操作，樣本必須脫水、染色并固定，導(dǎo)致生物分子失去天然構(gòu)象，甚至被電子束灼燒破壞。1974年冷凍電鏡技術(shù)的問世，帶來了一場新的革命。

　　冷凍電鏡技術(shù)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(nèi)投入到零下180攝氏度左右的液態(tài)乙烷中，使其瞬間形成“玻璃態(tài)冰”——既不膨脹結(jié)晶也不蒸發(fā)，將分子“凍結(jié)”為瞬間姿態(tài)。這種“速凍”方式就像按下暫停鍵，把生命分子的活動(dòng)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(dá)原子級別。配合高靈敏度的直接電子探測器（類似于數(shù)碼相機(jī)中的圖像傳感器CCD），可以精準(zhǔn)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(jì)算機(jī)將這些二維圖像整合起來，重構(gòu)出高精度的三維結(jié)構(gòu)模型。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于“原汁原味”——無需染色或強(qiáng)迫分子結(jié)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(xì)胞內(nèi)部的精細(xì)構(gòu)造以及病毒入侵等過程。

　　不過，傳統(tǒng)冷凍電鏡本質(zhì)上仍是“靜態(tài)攝影”，它捕捉的是分子在某一瞬間的構(gòu)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(dòng)的”。近年來，科學(xué)家又開發(fā)出時(shí)間分辨冷凍電鏡，在生物反應(yīng)啟動(dòng)后的特定時(shí)間點(diǎn)快速冷凍樣本，再通過一系列“時(shí)間切片”，復(fù)現(xiàn)分子變化的全過程。

　　此次中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主研發(fā)的毫秒級時(shí)間分辨冷凍電鏡技術(shù)正是基于這一理念，在冷凍同步精度、原位高分辨三維重構(gòu)等方面實(shí)現(xiàn)了提升。團(tuán)隊(duì)將光遺傳學(xué)刺激反應(yīng)與毫秒級投入冷凍方法相結(jié)合，不用將神經(jīng)突觸從細(xì)胞中分離，可以直接在接近生理狀態(tài)的環(huán)境下開展觀測。通過激光精準(zhǔn)觸發(fā)神經(jīng)信號后，在4毫秒至300毫秒的關(guān)鍵時(shí)間窗口內(nèi)完成急速冷凍，首次清晰拍到突觸囊泡“親吻”細(xì)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(dòng)態(tài)鏈——相當(dāng)于制作了一部分子尺度的“高清影片”。這一成果不僅統(tǒng)一了半個(gè)世紀(jì)以來學(xué)界關(guān)于突觸囊泡釋放與回收機(jī)制的爭議模型，還為理解神經(jīng)信號傳遞、神經(jīng)可塑性及相關(guān)腦疾病機(jī)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(jìn)。在速度上，科研人員正努力將時(shí)間分辨能力從毫秒推進(jìn)至微秒甚至納秒級，以捕捉蛋白質(zhì)折疊等超快生化反應(yīng)；在精度上，分辨率將沖擊0.1納米，以清晰分辨單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡；在應(yīng)用層面，可快速解析新發(fā)病毒結(jié)構(gòu)，加快藥物研發(fā)，還能指導(dǎo)納米材料等創(chuàng)新研究。更值得期待的是，隨著設(shè)備小型化、自動(dòng)化和成本下降，桌面級冷凍電鏡有望進(jìn)入普通實(shí)驗(yàn)室、基層醫(yī)院、學(xué)校課堂。到那時(shí)，冷凍電鏡將會(huì)像常規(guī)顯微鏡一樣，讓更多人有機(jī)會(huì)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(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副研究員）

《人民日報(bào)》2026年3月2日 第13版

本文來自【人民日報(bào)中央廚房-一秒世界工作室】，僅代表作者觀點(diǎn)。全國黨媒信息公共平臺(tái)提供信息發(fā)布及傳播服務(wù)。