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中国冷冻电镜开启科研新纪元

导读: 2017年10月2日,2017年诺贝尔奖陆续揭晓,此次诺贝尔化学家颁给了德裔生物物理学家阿希姆·弗兰克和英国分子生物学家和生物物理学家理查德·亨德森,用以表彰他们在冷冻电镜领域做出的重要贡献。

2017年10月2日,2017年诺贝尔奖陆续揭晓,此次诺贝尔化学家颁给了德裔生物物理学家阿希姆·弗兰克和英国分子生物学家和生物物理学家理查德·亨德森,用以表彰他们在冷冻电镜领域做出的重要贡献。他们的努力不仅提高了生物分子的成像质量,并且提供了有关三维显微成像更加直观简化的有效方式,将生物化学引入新纪元。而冷冻电镜,也成为了2017年的热词之一。

显微镜是人类二十世纪最伟大的发明之一,它的出现标志着人类进入原子时代。1931年,世界上第一台电子显微镜问世,为人类探索微观世界奠定了基础。近些年兴起的冷冻电镜,大大增加了人类认识微观世界的可视范围,在生物物理,尤其是结构生物学领域中掀起了一轮新的革命。

抢眼的清华大学

10年前,绝大多数人不会想到电镜的定语可以用“冷冻”二字来做,甚至相当一部分高校仍然在考虑是否要涉足冷冻电镜领域。清华大学做了这“第一个吃螃蟹的人”。2009年,清华大学生命科学院购置了当时世界上最新最高端的美国FEI公司生产的300KeV“Titan”型号冷冻电镜,也是亚洲第一台高端冷冻电镜。不久,清华又购置两台Titan型号冷冻电镜。至此,清华大学共拥有7台电镜。在2013到2015年间,清华大学一直都是世界上最大的冷冻电镜研究中心。

“当初建设清华冷冻电镜平台时,有人担心这么多的高端冷冻电镜会无人问津,现在看来,更应该多规划一些空间。”现任清华大学生科院院长王宏伟在接受《中国新闻周刊》采访时说道。有人说清华大学的抢眼均是源于其购买的冷冻电镜。虽有几分道理但也有失公允。

据悉,清华大学一直有电镜研究的传统和基础,上世纪九十年代开始,隋森芳院士就开始了电镜领域的研究。2007年,“千人计划”标杆人物施一公回国后,清华大学决定建设新的结构生物学实验设备。但在结构生物学三大研究手段中,只有冷冻电镜在国内还是空白。因此,施一公联合隋森芳和王志新两位院士说服清华大学斥巨资购置全亚洲第一台高端冷冻电镜。

可见,清华大学能够在冷冻电镜领域取得如此成就,一方面要归功于对冷冻电镜的提前布局。另一方面,学科领导人远见卓识与精准决策也让清华大学成为了冷冻电镜领域佼佼者。

冷冻电镜的“军备竞赛”

继清华大学之后,中科院生物研究所、北京大学、复旦大学、上海蛋白质中心、上海科技大学等多家高校和科研机构均引进了高端冷冻电镜。2011年刚刚建校的南方科技大学在深圳市政府的支持下已经购入两台冷冻电镜,同时,有传闻称,未来南科大将拥有更多的高端冷冻电镜。

2017年5月9日,正值浙江大学120周年校庆,来自国内外的顶级冷冻电镜专家共同启动了浙江大学冷冻电镜中心的成立庆典仪式,为浙江大学120周年的校庆送上了一份大礼。据悉,浙大此次成立的冷冻电镜中心,共投入6000万元,均是由学校自筹资金成立。

据统计,截止今年年底中国将拥有各类冷冻电镜50余台,其中高端冷冻电镜20台。到2018年年底,国内高端冷冻电镜数量或增至30台,全世界高端冷冻电镜或将增至200台。

冷冻电镜的发展像极了二十世纪苏美之间的军备竞赛,所有的高校和科研院所都在疯狂购进高端冷冻电镜。或许所有人都“眼红”于清华大学依靠自身冷冻电镜的优势所取得的成就。“冷冻电镜+清华大学=7篇CNS”,这个公式似乎有些夸张,但是足以表现出施一公院士在购进冷冻电镜之后所取得的骄人成绩。2015年8月,时任清华大学生科院院长的施一公带领的研究团队在《科学》在线发表了两篇研究长文,揭示了剪接体结构及其工作机理。这一成果的发表可谓突破了世界性难题,同样,这一成果也离不开背后冷冻电镜的助力。

“买了冷冻电镜,就能在CNS上发文章”,这个理念或许已经成为了很多研究人员购买冷冻电镜的初衷。据了解,一台最好的冷冻电镜需要450万美元,加上配套的其他设备,保守估计需要600万美元。清华大学甚至用了一整栋楼来安装、维护这些庞大的仪器。技术可以是引进的,设备也可以是引进的,但是科研却是我们自己的。日前,施一公发表《冷冻电镜在中国》一文,文中指出,在中国冷冻电镜发展迅速的同时也存在对其基础性方法研究的不足。国内冷冻电镜数量固然在飞速增长,但是,研究方法的不足同样会让我国在该领域的研究成为“跛脚的巨人”。

“工欲善其事,必先利其器”。科学实验的成功离不开科学仪器的支持,新方法、新技术、新仪器都有可能打开科研的一片新领域。但是如何能将这些昂贵的仪器物尽其用,不仅仅是科研人员要考虑的问题,同样也是管理部门要考虑的问题。结构生物学这棵大树上的果实早晚会被摘光,如果真到了那一天,我们所购买这些昂贵的仪器又将如何处置?难道除了冷冻电镜,就没有别的方法可以对机构生物学进行研究了吗?这些问题还很是遥远,但总有一天会到来,如何面对这些问题,也是从业人员和管理部门亟待突破的瓶颈。

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