文/ 闫俊

　　8月21日，清华大学生命科学学院院长施一公带领的研究团队在《科学》在线发表了两篇研究长文，揭示了剪接体结构及其工作机理。这一成果的发表可谓突破了世界性难题，究竟一个四人的团队，是如何突破科研瓶颈，获得殊荣的?

　　剪接体是什么?

　　这还得从基因表达说起。大千世界虽然无奇不有，但总的规则还是很明确的，比如人长得像人，猫长得像猫，儿子长得像爸爸，(如果非亲生要另当别论)。

　　我们都知道，基因会决定物种和长相。一个新生命所携带的基因是由父母双方给予的，一个受精卵从一个细胞慢慢长成一个人或一只猫，这个过程就是他所携带的基因表达的过程，基因其实就是藏在细胞中的DNA，基因通过表达生成活性蛋白质，而这些蛋白质构成了我们的各个器官，我们的身体发肤。

　　基因的表达，是将DNA上的信息转录到一种叫核糖体的物质上，这个物质就是最初的信使RNA(mRNA),但这些转录过来的信息并不能全都表达出来，不能表达的部分被称为内含子，这个时候就要让剪接体登场了，它的作用是将这些内含子剪下来，使那些能表达出来的片段连在一起，形成成熟的信使RNA，信使RNA所携带的信息经过翻译表达，最终生成蛋白质。如果没有剪接体，基因的表达就不能顺利进行。

　　剪接体在基因表达中的作用重大，了解它的结构和工作机理不仅可以对生命本身，也对一些遗传性疾病增加了解和把握，之前也有许多科学家为了得到剪接体的结构而努力，但因其形态多变，成分复杂，一直未果。这一问题甚至被称为“世界难题”。

　　成果获赞，冷冻电镜帮大忙

　　为什么研究多年的世界难题会被施一公团队解开?施一公教授在接受采访时说：“如果没有冷冻电镜技术，就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。”

　　中国科学院生物物理所研究员朱平曾在接受媒体采访时表示，冷冻电镜技术是结构生物学研究的利器。冷冻电镜就是应用冷冻固定技术，使用透射电子显微镜观察样品的显微技术。这里提到两个问题，一是冷冻固定技术，二是显微技术，最后要得出图像数据，还需要数据收集和处理的技术。

　　究竟这次科学实验中用到的冷冻电镜技术是何方神器?它是如何构建出剪接体的三维结构的?首先，科研人员要选好样品，放入冷冻机器人中进行冷冻制样。“冷冻电镜中的冷冻技术可以瞬间冷冻样品，并在冷冻状态下保持和转移，使样品最大限度保持原来性状，得出的数据更准确，实验成功率才更高。”中科院遗传发育所研究员姜韬告诉记者。

　　然后科研人员要把冻好的样品放在电子显微镜的样品放置处，就可以进行观察了。施一公团队科研所用的电子显微镜属于世界尖端仪器，是美国FEI公司研发的Titan Krios,它被包裹在一个“小房间”里，科学家需要通过计算机远程控制操作来观察。据中科院生物物理所研究员孙飞介绍，这样做可以防磁防震，保证仪器的精密。

　　接下来，就需要对显微镜观察后产生的图像进行处理和储存。这里就要用到数据采集和储存系统，这是一个高性能计算机，能对图像数据进行处理。施一公团队是如何利用这些图像构建剪接体的三维结构的?

　　举例来说，一个苹果，它本身是三维的，我们拿二维照相机多方位、多角度地拍很多张照片，就能重构出苹果的三维模型。施一公介绍，其实冷冻电镜就相当于一个照相机，当选好的冷冻样品被送到冷冻电镜时，会生成很多图像，这些图像组合起来便可以构建一个三维结构。当数据收集系统收集到大量剪接体的图像后，就可以重构一个剪接体的三维结构。

　　据了解，在这次科研中变得火爆的冷冻电镜，从上世纪80年代在国外已有研究，2009年，北京大学医学院生物物理系系主任尹长城第一次引入国内，各项技术也在不断更新。“虽然我是第一个引进的，但那时候的分辨率肯定比不上施一公团队的，现在国内最先进的冷冻电镜是Titan Krios，目前清华已有三台，施一公还打算再买一台，中科院有一台，上海国家蛋白质科研中心有一台，此外，浙江大学已经订购了，复旦大学、上海科技大学、北大本部也有订购计划。”

　　冷冻电镜仪器高端，价格也不菲。据了解，一台最好的可以做冷冻电镜的透射电子显微镜需要450万美元，这还仅仅是一台显微镜的价格，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，据介绍，全套加起来保守估计需要600万美元。清华大学甚至用了一整栋楼来安装、维护这些庞大的仪器。

　　“虽然技术是引进的，但科研是自己的。施一公可以敏锐地意识到这种方法，懂得它的重要性并加以利用，他也是有他自己的科研思路的。”尹长城说。

　　科研仪器助战科研显成效

　　能取得轰动世界的科研成果，离不开科研仪器的帮助。这次施一公团队得到的剪接体结构接近原子量级，也就是3.6埃(埃是长度单位，1埃=十亿分之一米)。但如果没有冷冻技术使样品形状固定，使样品便于观察;如果没有电子显微镜能观察到原子级的结构;如果没有数据采集和储存系统帮助我们收集和分析数据，光靠人类的力量这几乎是不可能完成的任务。单就观察样品这一项来说，人的眼睛最小能看到0.1mm的东西，不可能会看到原子，甚至一般的光学显微镜的清晰观察也只能到毫米级。

　　科学实验的成功离不开科学仪器和设备的支撑，很多重大科研成果都是由于科学仪器和方法的突破。

　　尹长城介绍，当年轰动世界的DNA双螺旋结构的发现就是因为研究出了利用X光射线去研究DNA的衍射的方法。姜韬表示，现在科学研究中，科研仪器扮演着越来越重要的角色，这些仪器依托于科学家研发的技术，是科学家眼睛、手和脑的延伸。由于生理结构，人类的一些功能会有局限性，实验必须借助仪器来完成。“就像宇航员登陆月球，即使人类掌握的技术已经达到这个水平，但如果没有宇宙飞船这个工具，也是不可能实现的。”

　　工欲善其事，必先利其器。一个新的方法，新的仪器，新的技术都可能打开一片新的领域，帮助科学家完成更多“不可能”。而在科学界，对研究出这些方法的科学家以嘉奖。此次施一公团队利用冷冻电镜获得了诺奖级成果，当初研究出分析蛋白质结构的电镜技术的Aron.klug也因其在方法上的改进获得了1982年的诺贝尔化学奖。

　　据中科院生物物理研究所研究员孙飞介绍，为了防磁防震，保证仪器的精密性，冷冻电镜中使用的电子显微镜被包在这个像小房间一样的空间里。科研人员需要在冷冻机器人中得到观察样品，然后将其放置在电子显微镜的样品装置中，之后进行的操作均为计算机远程控制，然后得到的数据通过数据采集和储存系统进行图像数据的处理，最终得出结果。■