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