2017年諾貝爾化學獎4日在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉,由瑞士學者杜布歇(Jacques Dubochet)、德國學者法蘭克(Joachim Frank)、英國學者亨德森(Richard Henderson)共享殊榮,得獎理由是「發展冷凍電子顯微鏡技術,以高解析度呈現溶液中的生物分子結構」。3位大師將共享900萬瑞典克朗(約新台幣3300萬元)獎金。
在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術,就叫做「冷凍電子顯微鏡技術」(cryo-electron microscopy),簡稱「冷凍電鏡」(cryo-EM)。冷凍電鏡是重要的結構生物學研究方法,與X射線晶體學(X-ray crystallography)和核磁共振(NMR)共同構成高解析度結構生物學研究的基礎,在探究生物大分子結構並揭示其功能方面極為重要。
瑞典皇家科學院(Kungliga Vetenskapsakademien)指出,世人很快就能夠以原子層級的解析度,觀察生命的複雜機制,這都要感謝今年3位得主杜布歇、法蘭克與亨德森,他們發展出的冷凍電子顯微鏡技術大幅簡化、增進了生物分子的成像,帶領生物化學進入新天地。
影像是理解事物的一把「鑰匙」,科學突破往往奠基於將肉眼看不見的事物視覺化。然而由於技術的侷限,生物化學領域過去在這方面的留白卻很多,難以獲取生命分子機制的影像。冷凍電鏡技術的出現改變了一切,如今科學家能夠將運動中的生物分子凍結,獲取它們的影像。對於理解生命的化學作用與藥物研發,冷凍電鏡技術都是關鍵。
電子顯微鏡的強力電子束會摧毀生物組織,原本只適合無生命物質。但是亨德森在1990年做出重大突破,運用電子顯微鏡獲取蛋白質分子的原子解析度影像,顯示這種技術的潛力。
法蘭克則是更早就推進這種技術的應用,從1975至1986年間,他研發出一種影像處理技術,分析電子顯微鏡模糊的2D影像,並加以結合,形成清晰的3D結構影像。
杜布歇將「水」這項要素引入電子顯微鏡技術。液態水會在電子顯微鏡的真空中蒸發,導致生物分子結構崩解。1980年代初期,杜布歇成功讓水分子在快速冷凍過程中「玻璃化」(vitrifying),讓生物分子能夠在真空中保持原有的形態。
拜3位大師之賜,電子顯微鏡技術從此精益求精,並在2013年達到原子解析度的目標。如今研究人員獲取生物分子的3D結構影像已是家常便飯,從對抗生素產生抗藥性的蛋白質,到一度大流行的茲卡病毒(Zika virus),在科學文獻中俯拾即是。生物化學正在突飛猛進,前景令人無比期待。