假如持续开展下去，并且一切技术成绩都失掉处理，冷冻电镜的确会成为一种占据统治位置的技术，而不只仅是第一选择。

　　 图片来源：Viktor Koen

　　 在英国剑桥市一座钢构造修建深处的地下室里，一场大规模的“叛乱”正在演出。

　　 一个约3米高的庞大金属箱正经过消对于互联网金融P2P企业来说，支付市场完善的标准和管理系统将彻底改变互联网金融行业的格局，不仅给从业者提供了的巨大的发展机遇，也带来了全新的挑战。逝在屋顶上的橙色粗电缆，闹哄哄地发射兆兆字节的数据。这是全球最先进的冷冻电子显微镜之一：一台应用电子束为冷冻的生物分子成像并揭秘其分子外形的设备。英国医学研讨委员会分子生物学实验室（LMB）构造生物学家Sjors Scheres像个矮子一样站在这台价值500万英镑（合770万美元）的设备旁边引见说，这台显微镜十分敏感，以致于一个叫喊声就能毁掉实验。

　　 在全球实验室中，相似这样的冷冻电镜正影响着构造生物学范畴。过来3年里，它们提醒了制造蛋白的核糖体细节，而这些发现正在以飞快的速度宣布于顶级期刊。构造生物学家们毫不夸大地以为，他们的范畴正处于一场反动当中：冷冻电镜能疾速创立那些顺从X射线结晶学和其他办法的分子的高分辨率模型。与此同时，应用此前技术取得诺贝尔奖的实验室正力争上游地学习这种“新贵”办法。

　　 应战“王者”

　　 当1973年生物学家Richard Henderson到LMB研讨一种被称为菌视紫红质的蛋白时，应用光能量推进质子穿过细胞膜的X射线结晶学是毫无疑问的“王者”。Henderson和他的同事Nigel Unwin应用这种蛋白制成二维晶体，但它们并不合适X射线衍射。因而，两人决议尝试电子显微镜。

　　 事先，电子显微镜用于研讨被重金属染色剂处置过的病毒或组织切片。一束电子被射向样品，其中挣脱开来的电子被探测到并用于描画它们所撞入的资料构造。这种办法发生了烟草病菌的首幅明晰图像，但染色剂使察看单个蛋白变得困难，更不必说X射线所能提醒的原子程度上的细节。

　　 在一个关键步骤中，当Henderson和 Unwin应用电子显微镜对菌视紫红质的晶片停止成像时，他们省略了染色剂，相反把晶体放在金属网格上，以便使蛋白凸显出来。“你能看到蛋白中的原子。”和Unwin在1975年宣布了菌视紫红质构造的Henderson引见说。“这是一个宏大的提高。”美国加州大学旧金山分校细胞生物学家David Agard表示，“这就是说，应用电子显微镜研讨蛋白构造将成为能够。”

　　 冷冻电镜范畴在上世纪八九十年代失掉开展。一个关键提高是将液态乙烷用于霎时解冻溶液中的蛋白并使其坚持运动。不过，通常状况下，这种技术依然只能将蛋白构造解析到10埃（1埃相当于1纳米的非常之一）的分辨率与X射线晶体学超越4埃的模型相比并没有竞争力，并且远远无法满足将这些构造用于药物设计的要求。当诸如美国国立卫生研讨院等赞助者把上亿美元投资到狼子野心的晶体学项目时，对冷冻电镜的赞助远远落后于此。

　　 1997年，当Henderson参与关于3D电子显微镜的年度高登研讨会议时，一位同事在开幕式上宣布了颇有寻衅意味的声明：冷冻电镜是一种“小生境”办法，不能够取代X射线晶体学。不过，Henderson能看到一个不同的将来，并且在随后的演讲中停止了反驳。“事先我说，我们该当让冷冻电镜在全球统治一切构造学办法。”他回想道。

　　 反动从此开端

　　 尔后第二年，Henderson、Agard和其他冷冻电镜的狂热支持者有条不紊地完成了各种技术改善，尤其是找到了感知电子的更好办法。在数码相机风行世界很久之后，很多电子显微镜专家依然偏好过时的胶片，由于它能比数字传感器更高效地记载电子。不过，和显微镜消费厂商一道，研讨人员开收回远超胶片和数码相机探测器的新一代直接电子探测器。

　　 这些从2012年左右取得使用的探测器，能以每秒几十帧的速率捕获单一分子的速射图像。与此同时，诸如Scheres等研讨人员编写了复杂的软件顺序，将上千幅2D图像转变成在很多状况下可与晶体学解析的分子图像质量相媲美的3D模型。

　　 冷冻电镜合适能忍耐电子轰击而不会四处晃动的波动、大型分子，因而通常由几十个蛋白制成的分子机器是很好的目的。而研讨证明，没有什么比由RNA互相缠绕支撑的核糖体愈加适宜了。经过X射线晶体学解析核糖体构造的办法，让3位化学家取得了2009年诺贝尔化学奖。过来几年里，不同的研讨团队迅速宣布了来自众多生物体的核糖体冷冻电镜构造，包括首团体类核糖体高分辨率模型。在由分享了2009年诺贝尔奖的Venki Ramakrishnan指导的LMB实验室，X射线晶体学在很大水平上变得无人聚焦消费升级、多维视频、家庭场景、数字营销、新零售等创新领域，为用户提供更多元、更前沿、更贴心的产品，满足用户日益多样化、个性化的需求。问津。他以为，关于大型分子来说，“冷冻电镜将大幅取代晶体学技术的预测是牢靠的”。

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　　 往年5月，加拿大多伦多大学构造生物学家John Rubinstein和他的同事应用约10万幅冷冻电镜图像，创立了一种名为V-ATPase、外形相似转子的酶的“分子影片”。V-ATPase经过熄灭三磷酸腺苷（ATP）推进质子进出细胞液泡。“我们看到的是一切事情都在灵敏停止。”Rubinstein说，“它在弯曲、扭动和变形。”在他看来，这种酶的灵敏功能协助其高效传递ATP释放的能量。

　　 统治构造生物学范畴

　　 像任何新兴范畴一样，冷冻电镜范畴也有着生长的懊恼。一些专家担忧，竞相应用此项技术的研讨人员会发生有成绩的后果。2013年宣布的一种艾滋病病毒外表蛋白的构造，便遭到迷信家的质疑。他们以为，用于构建模型的图像是白噪声。从那当前，虽然其他团队发生的X射线和冷冻电镜模型对原始模型提出了应战，但这些研讨人员不断据守他们的效果。

　　 往年6月，在高登会议上，想要更多质量控制的研讨人员经过一项决议，催促各期刊为审稿人提供关于冷冻电镜构造如何被创立的细节材料。

　　 本钱也会减缓此项技术的分散。据Scheres预算，LMB每天破费约3000英镑运转其冷冻电镜设备，还要加上1000英镑的电费。大局部电费是由贮存和处置图像所需的计算机发生的。“关于很多实验室来说，这是一项很高的开支。”

　　 为了让冷冻电镜的运用愈加便当，一些赞助者树立了研讨人员能预定工夫的共享设备。霍华德休斯医学研讨所（HHMI）在其弗吉尼亚州珍利亚农场校区运营着一个对HHMI赞助的研讨人员开放的冷冻电镜实验室。在英国，由政府和惠康基金会赞助的一台全国性冷冻电镜设备，往年在牛津左近的迪德科特开端运转。“人们想要理解冷冻电镜，已成为当下的一股浪潮。”协助树立上述设备的伦敦大学伯克贝克学院构造生物学家Helen Saibil表示。

　　 追逐这一浪潮的还有纽约洛克菲勒大先生物物理学家Rod MacKinnon。他因确定了特定离子通道的晶体构造而共同分享了2003年诺贝尔化学奖，但如今却在深化研讨冷冻电镜。“我正处在学习曲线的陡坡上，而这总是令我兴奋不已。”MacKinnon希望应用冷冻电镜研讨离子通道是如何翻开和封闭的。

　　 当Henderson在1997年反驳说冷冻电镜将统治构造生物学世界时，他或许是在言不由衷。但将近20年当前，他的预言已不像事先看上去的那么夸大。“假如持续开展下去，并且一切技术成绩都失掉处理，冷冻电镜的确会成为一种占据统治位置的技术，而不只仅是第一选择。”Henderson说，“我们或许曾经成功了一半。”