中研院冷凍電顯中心

冷凍電子顯微術,能在原子尺度,快速且不破壞性地觀察生物分子,榮獲 2017 諾貝爾化學獎的殊榮,是今日結構生物研究最具發展潛力的技術。2018 年,蔡明道院士主導的中研院研究團隊建置全國首座高解析度冷凍電顯中心,取得與頂尖國際研究團隊競爭的門票,吸引國內外研究團隊申請使用!

2019 年 4 月,中研院生化所特聘研究員蔡明道院士和中央大學生命科學系陳青諭助理教授的研究團隊,在《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society),發表了研究團隊如何運用冷凍電子顯微術,揭示酵素在原子尺度的結構。

這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯技術來探討酶學的論文,期刊並將此次研究成果選為當期封面,呈現出宛如藝術品的蛋白質酵素 3D 立體結構圖。

4 月 17 日出版的《美國化學學會期刊》,蔡道明院士此次的研究成果「蛋白質酵素 3D 立體結構圖」,獲選為當期封面,可見原子級的解析力。圖片來源│《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society)

4 月 17 日出版的《美國化學學會期刊》,蔡道明院士此次的研究成果「蛋白質酵素 3D 立體結構圖」,獲選為當期封面,可見原子級的解析力。 圖片來源│《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society)

 

冷凍電子顯微術( Cryo-electron microscopy, cyro-EM),是今日結構生物學研究最重要的技術突破。百年來,生物學家逐漸了解蛋白質、脂、核酸與醣等生物分子對生命運作的影響與機制,但過去缺乏原子級解析度的觀測工具,大大限制了生物學家的「視野」。

近半世紀,觀測技術不斷突破,構築了結構生物學一窺生命奧秘的諸多觀測方法,像 X 射線晶體學、核磁共振光譜法,以及質譜法,各有優缺點。冷凍電子顯微術以其原子級的解析力,成為最受期待的觀測神器!

 

 結構生物學的新「視」界:冷凍電顯技術

在過去,研究者想要看到高解析度的微觀世界,電子顯微鏡絕對是不二選擇。因為電子波長比可見光還短,使解析度可高於光學顯微鏡,甚至能看見個別原子的位置。

可惜的是,電子顯微鏡也有限度!它使用高強度的電子束照射樣本,還要讓樣本處在真空環境中,導致生物分子會嚴重變質,無法觀測。 2017 年諾貝爾化學獎冷凍電顯技術,正可突破電子顯微術的問題。

冷凍電顯技術的問世,起源於蘇格蘭學者韓德森 (Richard Henderson) 以電子束觀測蛋白質「菌紫質」 。他利用留在細胞膜內的菌紫質不易因真空環境乾掉變形,以及在液態氮的冷凍環境下樣本不易受到電子束破壞的特性,証明了冷凍電顯技術可以用來觀測生物分子,並提供足以媲美 X 射線晶體學的解析度。

瑞士學者杜波克特 (Jacques Dubochet) 進一步改善冷凍環境!他的設計是:先將液體樣本鋪在金屬網格上,形成如泡沫一般的薄膜,再將薄膜浸入攝氏負 190 度的液態乙烷。這時樣本中的水會變成「玻化水」 ,意思是水凝固時不會產生冰晶干擾觀測,而是形成無結晶的玻璃化狀態。如此一來,就算將樣本放在真空的環境,也不會影響到樣本的結構。

 

第一步:將樣品放在金屬網上,並移除過多的樣品,樣品會在網目上形成薄膜。資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介 圖說設計│廖英凱、林洵安攝影│林洵安

第一步:將樣品放在金屬網上,並移除過多的樣品,樣品會在網目上形成薄膜。 資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介 圖說設計│廖英凱、林洵安 攝影│林洵安

 

第二步:將金屬網快速射入攝氏 -190 度的液態乙烷,樣本將被急速冷凍的「玻化水」包覆。資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介 圖說設計│廖英凱、林洵安攝影│林洵安

第二步:將金屬網快速射入攝氏 -190 度的液態乙烷,樣本將被急速冷凍的「玻化水」包覆。 資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介 圖說設計│廖英凱、林洵安 攝影│林洵安

 

第三步:在攝氏 -190 度的低溫中,研究員進行電子顯微鏡的觀測,可保生物分子結構不受影響。資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介 圖說設計│廖英凱、林洵安

第三步:在攝氏 -190 度的低溫中,研究員進行電子顯微鏡的觀測,可保生物分子結構不受影響。 資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介 圖說設計│廖英凱、林洵安

 

把樣本薄膜化,再急速冷凍,就彷彿按下時間暫停器, 使生物分子保持在凍結前一刻的結構。研究者可先將生物材料調整到想觀測的環境條件下,例如:給予不同的酸鹼值,不同的反應時間,再透過急速冷凍保持其結構,就能針對同一生物分子,觀察它在不同生化機制進程的結構變化。

不過,生物分子製備成樣本,排列的角度是隨機的,拍攝的影像是二維,怎麼組合成三維的分子結構呢?美國學者法蘭克 (Joachim Frank) 發展出一種演算法,可將不同角度的二維影像分類與整合、自動合成出三維圖像。

 

要看更完整的精采文章,請至研之有物官網:

http://research.sinica.edu.tw/tsai-ming-daw-cryo-electron-microscope/

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