2017年10月4日是冷凍電鏡的“高光”時(shí)刻。這一天，瑞典皇家科學(xué)院向全世界宣布，將2017年諾貝爾化學(xué)獎?lì)C給發(fā)明冷凍電鏡的三位學(xué)者：哥倫比亞大學(xué)教授約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）、英國劍橋大學(xué)生物學(xué)家和生物物理學(xué)家理查德·亨德森（Richard Henderson）以及瑞士洛桑大學(xué)生物物理學(xué)榮譽(yù)教授雅克·迪波什（Jacques Dubochet），以表彰他們在冷凍顯微技術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

       “科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往建立在對肉眼看不見的微觀世界進(jìn)行成功顯像的基礎(chǔ)之上，但是在很長時(shí)間里，已有的顯微技術(shù)無法充分展示分子生命周期全過程，在生物化學(xué)圖譜上留下很多空白，而低溫冷凍電子顯微鏡將生物化學(xué)帶入了一個(gè)新時(shí)代。”諾貝爾獎評選委員會如是說。

       事實(shí)上，近年來冷凍電鏡的“高光”時(shí)刻不只這一個(gè)，正如中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授隋森芳所言，此前生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用冷凍電鏡產(chǎn)出的一系列高水平論文讓原子水平解釋生命現(xiàn)象成為可能。從分子級別到原子級別，這是生物學(xué)領(lǐng)域的巨大突破，冷凍電鏡的重要意義不言而喻。

       技術(shù)快速發(fā)展

       冷凍電鏡到底是什么？從上世紀(jì)70年代興起至今，冷凍電子顯微技術(shù)（cryo-electron microscopy， cryo-EM）已經(jīng)跨越了40多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了冷凍制樣、單顆粒圖像分析和三維重構(gòu)算法等關(guān)鍵性技術(shù)的突破。

       通俗而言，冷凍電鏡就是在傳統(tǒng)透射電子顯微鏡之上，加上了低溫傳輸系統(tǒng)和冷凍防污染系統(tǒng)。

       中國科學(xué)院上海藥物研究所冷凍電鏡平臺（籌）負(fù)責(zé)人余學(xué)奎向《中國科學(xué)報(bào)》介紹道，冷凍電子顯微技術(shù)主要包括單顆粒冷凍電鏡技術(shù)（single-particle cryo-EM）和冷凍電子斷層掃描技術(shù)（cryo-electron tomography，cryo-ET）。

       單顆粒冷凍電鏡技術(shù)首先捕獲大量隨機(jī)分布的同一種生物樣品的二維圖像，然后通過圖像處理算法解析其三維結(jié)構(gòu)。

       近年來，隨著冷凍電鏡設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，特別是隨著直接電子探測器（Direct Electron Detector，DED）在冷凍電鏡中的應(yīng)用，單顆粒冷凍電鏡技術(shù)邁進(jìn)了原子分辨率水平，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和新藥研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

       Cryo-ET則通過記錄單個(gè)生物樣品在傾斜旋轉(zhuǎn)過程中投影的一系列二維圖像，采用特殊的算法計(jì)算，將二維圖像重構(gòu)為三維斷層圖像。Cryo-ET主要研究組織、細(xì)胞和微生物中的超微結(jié)構(gòu)，它能夠提供生理環(huán)境下大分子復(fù)合物納米、亞納米甚至近原子尺度的原位結(jié)構(gòu)信息以及其與其它大分子的相互作用信息。

       Cryo-ET日益發(fā)展成為研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的主要技術(shù)手段。

       需補(bǔ)齊人才“短板”

       顯然，填補(bǔ)生物化學(xué)圖譜上的“空白”成為“新時(shí)代”生命科學(xué)研究領(lǐng)域的新賽道，各國科學(xué)家爭先在這里施展拳腳。算上2018年11月19日南方科技大學(xué)的冷凍電鏡中心揭牌，僅國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)引進(jìn)高端電鏡設(shè)備就已超過20臺。

       隋森芳告訴《中國科學(xué)報(bào)》，與國際上相比，國內(nèi)該領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)雖然硬件設(shè)備條件有了極大提升，但人才依然是短板。

       余學(xué)奎對此表示認(rèn)同。他表示，盡管冷凍電鏡設(shè)備非常昂貴，但包括中國、歐州和美國等眾多國家，都在投入大量資金購買冷凍電鏡設(shè)備，因此冷凍電鏡相關(guān)人才短缺是一個(gè)世界性問題。“由于我國在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展時(shí)間較短而又最為快速，其人才短缺問題尤其嚴(yán)重。”

       如果這些好的電鏡設(shè)備要轉(zhuǎn)化成研究成果，還需要國家在政策上鼓勵(lì)，隋森芳表示，“電鏡人才不是‘批量生產(chǎn)’的，是一個(gè)一個(gè)培養(yǎng)的，需要經(jīng)過從樣品制備到控制電鏡在什么條件下輸數(shù)據(jù)再到圖像處理等比較全面的培養(yǎng)過程”。

       在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，30歲~40歲這一年齡層次有一批國際頂尖的科學(xué)家是華人科學(xué)家。

       “盡可能多地加大海外人才的引進(jìn)，這是一個(gè)比較‘短平快’的方式，另一方面，也要讓國內(nèi)培養(yǎng)的年輕學(xué)者留下來。”隋森芳說。

       隋森芳表示，冷凍電鏡的人才短缺主要包括兩個(gè)方面，一是應(yīng)用冷凍電鏡解決生命科學(xué)問題的人才，二是對冷凍電鏡設(shè)備進(jìn)行管理和運(yùn)行的人才。不過，前者較易通過引進(jìn)海外優(yōu)秀人才的方式使其短時(shí)間內(nèi)盡可能填補(bǔ)，后者則需要國家創(chuàng)造更好的留住或培養(yǎng)人才的條件。

       “管理和運(yùn)行冷凍電鏡設(shè)備的專業(yè)人才，他們的重要性一點(diǎn)兒都不比電鏡的應(yīng)用人才差。”隋森芳告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“但是，我們需要提供與之相匹配的待遇和人才管理機(jī)制，為他們提供好的上升空間，不能單純用論文來衡量。”

       “國內(nèi)硬件條件很好了，但很多海外相關(guān)領(lǐng)域人才不愿意回來，就是因?yàn)橹車蒲械能洯h(huán)境還不夠。實(shí)際上人比設(shè)備還重要，人才和設(shè)備應(yīng)并重。”隋森芳說，“國家應(yīng)該在高端電鏡關(guān)鍵技術(shù)上加大投入，設(shè)立研究方向做引導(dǎo)。”

       前期積累薄弱

       當(dāng)前，冷凍電鏡設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)卻幾乎完全被歐洲和日本的廠商壟斷。

       隋森芳告訴《中國科學(xué)報(bào)》，全世界生產(chǎn)冷凍電鏡的廠商只有日本電子、日立和荷蘭的FEI（現(xiàn)已被賽默飛公司收購）3家。

       “目前國內(nèi)沒有一家企業(yè)生產(chǎn)透射式電鏡。”余學(xué)奎也對《中國科學(xué)報(bào)》表示，在冷凍電鏡的市場占有率方面，幾乎是FEI一家獨(dú)大的局面，與冷凍電鏡配套的直接電子探測器也主要是美國Gatan公司的K2相機(jī)。

       “國內(nèi)在應(yīng)用冷凍電鏡解析生物大分子結(jié)構(gòu)方面處于世界領(lǐng)先水平，其與國外先進(jìn)水平的差距主要在冷凍電鏡及其配套設(shè)備的研發(fā)制造方面。”余學(xué)奎表示。那么，為什么沒有國內(nèi)廠商生產(chǎn)冷凍電鏡，存在哪些“卡脖子”問題？

       “現(xiàn)階段國內(nèi)廠商做整機(jī)不一定拼得過國外同行。”隋森芳表示，國外的先進(jìn)電鏡設(shè)備都是經(jīng)過幾十年的技術(shù)積累，如果國內(nèi)想急于求成做高端電鏡，“我覺得以我們現(xiàn)在的積累，條件并不是特別成熟”。

       “科學(xué)家也愛國，當(dāng)然也希望采用國產(chǎn)的設(shè)備。”隋森芳說，但科研工作者需要通過設(shè)備使用去解決最前沿的生物學(xué)問題，“誰的好肯定是用誰的”。而就目前的設(shè)備技術(shù)水平來看，市場已經(jīng)被國外先進(jìn)公司占領(lǐng)，國產(chǎn)電鏡即使投入大資金快速發(fā)展也很難在短期內(nèi)達(dá)到國外先進(jìn)電鏡設(shè)備所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。

       在余學(xué)奎看來，冷凍電鏡設(shè)備或技術(shù)的研發(fā)涉及材料、光學(xué)、生物、計(jì)算科學(xué)、半導(dǎo)體、系統(tǒng)集成和先進(jìn)制造等多個(gè)學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，加之冷凍電鏡在過去很長一段時(shí)間都是一個(gè)小眾市場，“我國對相關(guān)領(lǐng)域缺乏足夠重視和長期投入，這也許是我國與國際先進(jìn)行列存在差距的主要原因”。

       如此背景下，在某些具體核心技術(shù)上發(fā)力或許是國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域擺脫依賴、實(shí)現(xiàn)“突圍”的不錯(cuò)選擇。

       隋森芳認(rèn)為，可以集中力量在圖像采集技術(shù)、圖像處理和結(jié)構(gòu)解析、以及冷凍系統(tǒng)的樣品制備技術(shù)，各個(gè)擊破，可以先在這些具體技術(shù)上發(fā)展。

       “這些核心技術(shù)發(fā)展之后，再做冷凍電鏡整機(jī)，自然而然就有了一定的積累。”隋森芳說。他補(bǔ)充道，基礎(chǔ)核心技術(shù)發(fā)展起來之后，不僅電鏡可以使用，也可以在一些軍事或其他產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用。

       發(fā)論文并不因“電鏡”變易

       近年來，隨著公眾對生物科學(xué)認(rèn)知度的提高，每有科研機(jī)構(gòu)投入大量資金引進(jìn)高端電鏡設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上總會出現(xiàn)一些聲音，認(rèn)為“買電鏡”是為了“刷論文”，“冷凍電鏡讓結(jié)構(gòu)生物學(xué)很容易在頂級期刊上發(fā)表論文”“實(shí)用價(jià)值有限”等。對此，隋森芳認(rèn)為并非如此。

       “結(jié)構(gòu)生物學(xué)以前出了一批好的論文，但這些論文也是不容易的，這些成果都是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室多年積累的結(jié)果。”隋森芳告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“網(wǎng)絡(luò)有時(shí)候并不能特別真實(shí)地反映科學(xué)研究的艱辛程度。如果說發(fā)論文是個(gè)優(yōu)勢的話，我覺得還應(yīng)該繼續(xù)發(fā)揮。”

       隋森芳表示，不管是藥物還是生命的問題，最基本的還是要從分子、原子層解釋其機(jī)制，那就需要做結(jié)構(gòu)分析，而做結(jié)構(gòu)分析“看得最清楚那就是電鏡了”.