速冻的微观世界

杨先碧

自古以来，人类的好奇心不断地推动着社会进步。在好奇心的驱使下，人类不仅把目光投向数万光年之外的星空，也把视野推进到微纳尺寸的微观世界。对生命的细节看得越仔细，就越有利于人们知晓生命的本质。正是在这样的背景下，显微技术成为热门的科研领域，相关科学家也多次荣获诺贝尔奖。瑞士科学家雅克·杜波谢、美国科学家阿希姆·弗兰克、英国科学家理查德·亨德森，也因在冷冻显微电镜领域的突出贡献，而分享了2017年诺贝尔化学奖。显微镜放大微小样品

如何看清微观世界里的小东西？我们首先想到的就是使用显微镜。原始的光学显微镜是一个高倍率的放大镜。据记载，在1610年前，意大利物理学家伽利略己制作过复式显微镜，并观察了昆虫的复眼。这是一种己具目镜、物镜和镜简等装置，并被固定在支架上的显微镜。

1665年前后，英国生物学家胡克发明了比较类似我们现在学校实验室里用的显微镜，并通过这台显微镜看到了软木中网格状的结构，胡克称之为“细胞”。这是人类历史上最伟大的发现之一，大大推动了生物学的发展。

与胡克同时代的荷兰科学家列文虎克对显微技术的推动做出了主要贡献。他一生制作了不少于247架显微镜，观察了许多细菌、原生动物和动植物组织，是第一个用显微镜做科学观察的人。到18世纪，显微镜已有许多改进，应用比较普遍，已作为一种商品进行生产。

然而，传统的光学显微镜不能无限制地放大微小的样品，它会受到“阿贝原则”的限制。什么是“阿贝原则”？1873年，德国显微镜学家恩斯特·阿贝通过计算发现，由于光波相互干扰的原因，光学显微镜不能无限度地放大微小样品，最多只能“看到”光波波长一半的样品，即尺寸不小于200纳米的样品。这就是有名的“阿贝原则”，200纳米也被称为光学显微镜的“绕射极限”。

光学显微镜只能看到细胞或细胞内较大的细胞器，要看到100纳米以下的生物大分子就不太可能了。生物大分子是指生物体细胞内存在的蛋白质、核酸、多糖等大分子。每个生物大分子内有几千到几十万个原子，分子量从几万到几百万以上。生物大分子的结构很复杂，但其基本的结构单元并不复杂。蛋白质分子是由氨基酸分子以一定的顺序排列成的长链。氨基酸分子是大部分生命物质的组成材料，不同的氨基酸分子有好几十种。生物体内的绝大多数酶就屬于蛋白质，是生物体维持正常代谢功能所不可缺少的。

为了突破光学显微镜的局限，弄清楚生物大分子的构造，科学家想了很多办法。有的科学家制造出超高分辨率光学显微镜，其实是让生物分子发荧光，这种方法的使用有一些局限性。因为它是用激光来激发生物大分子，这样照射时间不能太长，否则可能杀死生物大分子。但是，照射时间短又可能会失去一些重要信息。而且，超高分辨率光学显微镜最高只能达到10纳米的分辨率，仍然无法看清分子内部的精细结构。

还有一种很常用的方法是“x射线晶体衍射”技术。之前，亨德森就非常喜欢用这种技术来研究生物大分子。但是，这种技术也有很明显的局限性，那就是这种方法需要首先获取纯度很高的生物大分子晶体。而不少生物大分子结晶情况不理想，甚至有的就不能结晶。膜蛋白就是一个很大的挑战。对于大多数的生物，膜蛋白占了蛋白质组的20%～30%，药物靶点的达到40%以上。然而，这些分子的结构很少能通过X射线晶体学来阐明。

科学家还想到的方法是用电子显微镜（简称电镜）。电镜的分辨率的确很高，可以达到纳米级以下，看清生物大分子是没啥问题了。电子的波长是光子波长的十万分之一左右，就像一根极细的探针，理论上它打在蛋白质分子等生物大分子身上能被反射，这些反射的电子就能产生一张照片，这就是电镜的基本原理。这也是电镜能比光学显微镜分辨率高得多的原因。

起初，电镜是在材料科学领域中使用的，主要是用其高分辨率来解析材料的结构。电镜在材料科学上的应用遥遥领先于在生命科学上的应用。直到1947～1961年，生物学家才借鉴材料科学中的重金属染色技术，利用电镜技术观测到了许多细胞亚显微结构，如叶绿体、线粒体、核糖体，等等。然而，电镜的局限性也很明显，那就是不能看到活生生的生物大分子。因为电镜需要在高真空条件下工作，而生物样品的含水量很高，水分的挥发使整个样品无法保持真空。另外，电镜的电子携带的能量很高，会把细胞“残忍地烧死”。这样一来，生物学家就难以研究分子在活细胞中的正常活动。

为了让电镜也能看到活细胞内的生物分子，科学家想了很多办法。最终想到的办法就是速冻。这就好比科幻小说中的冷冻休眠，把活人速冻之后，人体组织和细胞进入几乎没有活动的休眠状态。多年以后，采用合理的方法解冻，人体又活过来了。也就是说，速冻的细胞虽然几乎不能活动，但是它们的的确确具有生物活性。

在冷冻电镜中，生物大分子被迅速冷冻，使得标本内部和周围的水被固定为玻璃态，以防止晶体的形成。玻璃态——一种看上去是固体，但其分子排列是无序的形态，所以是不折不扣的流体。为什么是玻璃态而不是冰（晶体）呢？首先，是为了保护生物大分子，冻成冰有可能让生物大分子发生脱水，冰晶也容易伤害生物。其次，冰会衍射电子，从而降低电镜观察的图像质量。