文/尹长城（北京大学医学部生物物理学系教授、分析中心电镜室主任、中国生物物理学会冷冻电镜分会副理事长、中国电子显微学会低温电镜专业委员会主任）

在谈冷冻电镜技术为什么获得诺贝尔奖之前，首先谈谈为什么要做结构和为什么做结构要做到原子分辨率。

现代物理学和化学告诉我们，任何物质包括生命物质都是由分子或原子组成的，而分子又是由原子组成的。物质的性质和功能是由其结构决定的，“结构决定功能”是自然界的法则，生命物质也不例外。物质的性质和功能取决于构成物质的分子之间的相互作用，而分子间的相互作用又取决于构成分子的原子之间的相互作用。

必须在原子层次上了解分子的结构，了解在微观层次上构成分子的原子如何相互作用，才能从根本上理解分子所具有的功能。不仅只有在原子分辨率水平解析生物大分子的结构，才能理解生物大分子的功能，而且只有在原子分辨率水平解析生物大分子复合体的结构，才能从根本上理解生物大分子之间的相互作用及其由相互作用导致的新功能。这就是为什么要做生物大分子及其复合体的结构的根本原因，也是为什么诺贝尔奖持续授予生物大分子结构及其结构解析技术领域的原因。

▲2013年， 电镜技术达到了原子级分辨率后，我们能看到的微观世界从 图左变成了图右。

在冷冻电镜单颗粒技术能够解析生物大分子结构至原子分辨率之前，结构解析主要依靠X-射线晶体学技术(X-ray crystallography)和核磁共振技术(nuclear magnetic resonance，NMR)。

生物大分子X-射线晶体学技术和核磁共振技术也分别于1962年和2002年赢得诺贝尔奖[马克斯·佩鲁茨和约翰·肯德鲁，英国剑桥MRC分子生物学实验室，1962年化学奖;库尔特·维特里奇(Kurt Wiithrich)，瑞士苏黎世联邦理工学院，2002年化学奖]。

X-射线晶体学技术解析结构有如下问题：第一，所研究的生物大分子或其复合物必须是晶体的形式，而生物大分子特别是多个蛋白的复合物难以长成晶体，如施一公研究的剪接体复合物几乎不可能长成晶体，因此不能用X-射线晶体学技术解析结构;第二，生物大分子或其复合体在晶体中被固定在某种单一结构(称为构象)，因此，用X-射线晶体学技术解析的结构是静态的、单一的结构。

核磁共振技术由于研究的生物大分子处于溶液之中，因此可以解析动态结构。但是，由于所能产生磁场强度的限制，导致核磁共振技术所能解析的生物大分子的大小有限，目前只能解析分子量小于100kDa的蛋白质的结构。而生物体中很多蛋白质的大小都超过100kDa，生物大分子复合体更是如此，这极大地限制了核磁共振技术在结构解析中的应用。

▲亚洲首台KRIOS冷冻电镜2009年落户清华大学

单颗粒冷冻电镜技术的突破克服了X-射线晶体学技术和核磁共振技术的限制。

首先，冷冻电镜单颗粒技术对蛋白质或其复合物的大小没有上限，小到分子大到细胞都可应用，这克服了核磁共振技术的缺点;第二，冷冻电镜图像处理算法的突破，可以将同一蛋白质或复合体不同的分子构象分开，同时重构到原子分辨率，这克服了X-射线晶体学技术解析的结构是静态的、单一的结构的缺点。

如果能结合功能信息，确定不同构像在生物大分子或复合体行使功能过程中的时间顺序，人们就可揭示生物大分子或复合体执行功能的结构变化，从而从根本上阐明生物大分子的工作机制。

冷冻电镜技术的突破，把结构生物学从“静态结构生物学”变成了“动态结构生物学”，把结构和功能真正地对应了起来。

冷冻电镜从上世纪80年代在国外已有研究，2009年，我将其引入了国内。冷冻电镜仪器高端，价格也不菲。
 

现在国内最先进的冷冻电镜是 Titan Krios，是目前世界上最先进的高分辨场发射冷冻透射电镜，全世界范围内安装完成不超过10台，其在开展电子晶体学，单颗粒三维重构，及电子断层成像等三维结构的研究方面有着突出的优势，能够解析蛋白复合物的结构以及亚细胞器甚至整个细胞的三维结构。其价格为3500万人民币，这还仅仅是1台显微镜的价格，整套仪器需要电子探测器、球差矫正器、能量过滤器、相位板等设备，一整套仪器的价格保守估计在5000万人民币。

▲ 直接电子探测 器（direct detection device， 简称 DDD）和电子藕合 探测器技术（CCD）相比，可能就是单反相机和卡片机的区别。图为利用X射线晶体学方法拍摄的蛋白质晶体。