这位生物物理学家得了2017年诺贝尔化学奖,和西门子渊源颇深

在刚刚结束的2017诺贝尔奖颁奖典礼上,获得诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖、文学奖和经济学奖的11位获奖者出席了仪式。

今年的诺贝尔化学奖颁发给了瑞士生物物理学家雅克•杜博歇(Jacques Dubochet)和其他两位生物学家,以表彰他们“在开发用于溶液中生物分子高分辨率结构测定的冷冻电镜技术方面的贡献”。

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这位生物物理学家得了2017年诺贝尔化学奖,和西门子渊源颇深

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什么是电子显微镜?

今天,冷冻电子显微镜可以为最小的生物分子结构创建详细的三维结构图像,比如病毒。去年,科学家们就成功获取了寨卡病毒的图像。

电子显微镜是高倍放大的显微镜。1939年,德国物理学家恩斯特·鲁斯卡和他的同事在西门子一起发明了世界上第一台可以批量生产的电子显微镜。鲁斯卡后来于1986年获得了诺贝尔物理学奖。而今年获得诺贝尔化学奖的杜博歇也曾在西门子工作过。大约40年以前,杜博歇担任西门子的客座科学家,研究冷冻电子显微镜的基本原理。当时,西门子是电子显微镜领域的全球领导者。

这位生物物理学家得了2017年诺贝尔化学奖,和西门子渊源颇深

装饰有超导电镜的学位帽

这位生物物理学家得了2017年诺贝尔化学奖,和西门子渊源颇深

电子显微镜用电子束替代了可见光,因为波长会限制可能的分辨率,电子束的波长比光更短,可以获得更详细的图像,所以电子显微镜能够比光学显微镜实现更高的放大倍数。当时在西门子中央研究部门工作的杜博歇专注于利用电子显微镜进行生物分子的成像研究,因为这些生物分子是每一个生命体的重要成分。

但是,电子显微镜只能在真空中工作。然而,在真空中,水分又蒸发得很快。因为生物分子结构主要由水构成,所以要想精确获取它们的图像是非常困难的。就好像你想观察葡萄,结果只看到葡萄干一样。

在用显微镜观察一个标本前,必须用其他物质代替所有的水,但这就已经改变了想要观察的物质的结构。此外,电子束本身也会通过电离破坏一些敏感的生物分子。这些都意味着一般的电子显微镜会严重破坏生物分子,导致几乎不可能从图像中直接得出结论。

零下269 °C的显微镜观察

西门子的科学家们认识到,在非常低的温度(约零下200°C)下进行显微镜观察,电子束的破坏程度会有所降低。如果标本被冷却到这种程度的话,标本中的水分也不用被去除了。但西门子的科学家们进一步推进了这种技术。杜博歇和他的同事们研发出的显微镜可以在零下269℃的低温下与速冻标本一起使用,这只比绝对零度高4度。像这样极端的温度可以保护生物分子的结构,这种方法获得了很好的效果。

这是一次重大的突破!几个月后在柏林的弗里茨哈伯研究院,科学家们使用同样的装置成功重现了结果,因此认可了这一的研究成果。但后来出现了一个意外:其他科学家在自己的测试中无法重现结果,因此拒绝承认这一研究成果。当时和杜博歇一起工作的科学家在接受西门子采访时表示:“我们怀疑之所以出现不同的研究结果,是因为标本的制备不同。在非常低的温度下,传导机制起着重要的作用。”在那之后,杜博歇继续从事冷冻电镜技术的研究。如今,在极低的温度下显微镜可以成像,从而间接地认可了他以前的研究成果。

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