2017年诺贝尔化学奖

2017年度诺贝尔化学奖——冷冻电镜技术PPT制作：云南大学生命科学学院2017级研究生TheNobelPrizeinChemistry2017JacquesDubochetJoachimFrankRichardHendersonfordevelopingcryo-electronmicroscopyforthehigh-resolutionstructuredeterminationofbiomoleculesinsolution.1科学背景结构生物学冷冻电镜cryo-EM核磁共振NMRX射线晶体学X-raycrystallography科技创新驱动学科发展2核磁共振（NMR）生物大分子结构解析的技术结构功能生物分子的原子排布蛋白功能X射线晶体衍射蛋白质数据库的十万多条蛋白词目里，超过90%的蛋白结构是利用X射线晶体衍射技术得到的3缺陷X射线晶体衍射需要将纯化后的生物样品进行晶体生长晶体生长时间久复杂的大分子物质难以获得晶体难以提取到关于蛋白质动态下的有价值信息核磁共振蛋白质在溶液中往往结构不稳定而难以获取稳定的信号能解析在溶液状态下的蛋白质结构4另一种方式：电子显微镜电子显微镜能够分辨非常微小的结构传统显微镜——一束光线电子显微镜——一束电子束流局限获得高分辨率图像所需的强烈电子束流会破坏生物材料样品强度降低成像质量下降需要真空腔，这样的环境使生物分子周围的水会迅速挥发，导致结构崩塌寻找新的成像技术5•1968年，剑桥大学MRC分子生物学实验室，AronKlug和DeRosier在Nature上发表了一篇关于利用电子显微镜照片重构噬菌体病毒尾部三维结构的论文，提出并建立了电子显微三维重构的一般概念和方法。AronKlug因此获得1982年诺贝尔化学奖。•1974年，加州大学伯克利分校的RobertGlaeser和他学生KenTaylor首次提出冷冻电镜，并测试了冷冻含水生物样品的电镜成像，目的在于降低高能电子对分子结构的损伤，并因此实现高分辨成像。——冷冻电镜的雏形突破6成功地使用电子显微镜得到了原子层面分辨率的蛋白质三维结构图像，有力证明了用电子显微镜进行生物分子成像的潜力。细菌视紫红质三维立体结构图像（7Å）原子级分辨率的细菌视紫红质结构RichardHenderson7冷冻电镜单颗粒分析的鼻祖完成单颗粒三维重构算法及软件Spider冷冻电镜发展的基础JoachimFrank8重要贡献：在真空环境下使生物分子保持自然形状亨德森用葡萄糖保护（不能普遍使用）迪波什对生物样品进行玻璃化JacquesDubochet9冷冻电镜技术样品冷冻冷冻成像三维重构保持蛋白溶液态结构获取二维投影图像从二维图像通过计算得到三维密度图10冷冻电镜技术能将运动中的生物分子进行冷冻，并在原子层面上进行高分辨率成像。冷冻电镜的发展就像是一场猛烈的革命（2017年诺贝尔生理及医学奖）a一种控制昼夜节律的蛋白质复合体（自2015年确诊第一例以来，全球范围内超过150万人被感染）c寨卡病毒B一种可感知耳中压力变化、使人听到声音的蛋白质b诺奖级助手——冷冻电镜这项技术将生物化学带入一个崭新时代。112013年加州大学旧金山分校（UCSF）程亦凡和DavidJulius的研究组首次得到膜蛋白TRPV1的3.4Å近原子级别的高分辨率三维结构（Nature上）。冷冻电镜发展中的里程碑•近原子分辨率的炎症复合体结构•30nm染色质左手螺旋高级结构•3.4Å的人源Y分泌酶复合物结构TRPV1蛋白的三维结构12（a）不同年份中利用冷冻电镜单颗粒重构技术能够达到的最高分辨率（b）通过冷冻电镜技术进行的研究成果在不同杂志上发表的论文数13冷冻电镜应用的迅猛发展2015年8月21日，施一公团队在《科学》（Science）同时在线发表了两篇研究长文，《3.6埃的酵母剪接体结构》和《前体信使RNA剪接的结构基础》。文章介绍了通过单颗粒冷冻电子显微技术（冷冻电镜）解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构。冷冻电镜+清华大学=CNS14人源剪接体与酵母剪接体的比较2017年5月12日，《细胞》（Cell）在线发表了题为《人源剪接体的原子分辨率结构》。这是第一个高分辨率的人源剪接体结构，也是首次在近原子分辨率的尺度上观察到酵母以外的、来自高等生物的剪接体的结构，进一步揭示了剪接体的组装和工作机理，为理解高等生物的RNA剪接过程提供了重要基础。冷冻电镜+清华大学=CNS15诺奖级助手终获诺奖特点：不需要结晶且需要的样品量极少，即可迅速解析大型蛋白复合体原子分辨率三维结构两个关键技术直接电子相机三维重构软件2015年《自然》杂志旗下子刊NatureMethods将冷冻电镜技术评为年度最受关注的技术。终获2017年诺贝尔化学奖实至名归16冷冻电镜的发展是否意味着X射线晶体学时代即将结束?美国加州大学旧金山分校副教授程亦凡不用结晶直接解析蛋白质结构，并达到近原子分辨率，这无异于是一场革命。在程亦凡看来，X射线晶体学时代现在不会结束，将来也不会。17冷冻电镜冷冻电镜与X射线晶体学比较•冷冻电镜实验室培养的学生还太少，远不能满足需求。•目前电镜还没有像X射线晶体学那样形成流程化的操作。•冷冻电镜电子衍射法可以利用很小的晶体就进行结构解析。X射线单晶衍射仪18•第一，不需要结晶，研究对象范围大大扩展，研究速度大大提高。•核糖体从上世纪80年代初首次长出晶体到2000年左右最终拿到原子分辨率结构整整经历了20年；•利用冷冻电镜技术，一周时间就可以解析一个新的核糖体结构；•线粒体呼吸链复合物I从上世纪90年代初研究，第一次报道完整晶体结构大约是20年以后。•冷冻电镜方法跳过超大分子复合物结晶难的这层技术屏障，以直接解析复合物的溶液状态的结构为目标。冷冻电镜技术的优点19•样品需求量小，样品制备快，可重复性高。•可以研究天然的、动态的结构。•直接解析天然的、溶液态的、动态的（dynamic），甚至原位(insitu)的结构，从而理解生命分子如何在空间和时间两个尺度上以活的动态的方式发挥功能。•晶体学只能尝试不同的条件获得生物大分子某个或者某些固定的状态，而且容易出现晶体堆积引起的不真实相互作用方式。形象地说，冷冻电镜可以制作完整的高清电影，晶体学只能从电影里截屏。冷冻电镜技术的优点20•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”，把结构和功能真正对应起来。•用冷冻电镜直接去看细胞里面的结构。未来21•冷冻电镜技术革命还将开启巨大的潜在医疗价值。冷冻电镜技术方法在时间和精度方面的大幅度提高有时会导致不可预测的重大科学和应用价值。•活体病毒结构分析如果可以在分钟级别完成，这将有可能转化为潜在的医疗检测手段：从病人体内抽取血样或感染组织细胞，几分钟以后，非常清晰明了地展现病人在细胞内部结构层面的异常状况，甚至给出局部的原子结构图，从而给出精准的治疗方案。未来22时间获奖技术获奖人2017冷冻电子显微镜JacquesDubochet,JoachimFrankandRichardHenderson2014超分辨荧光显微技术EricBetzig,StefanW.HellandWilliamE.Moerner2002核磁共振光谱学确定大分子三维结构KurtWüthrich1999飞秒光谱AhmedH.Zewail1993PCRKaryB.Mullis1991高分辨率核磁共振(NMR)光谱学RichardR.Ernst1982晶体电子显微镜AaronKlug1964x-射线技术研究生物化学的物质的结构DorothyCrowfootHodgkin1960carbon-14技术WillardFrankLibby1959极谱分析方法JaroslavHeyrovsky1948电泳和吸附分析KaurinTiselius1936气体中X射线和电子的衍射Petrus(Peter)Josephus1931化学高压方法CarlBoschandFriedrichBergius1923有机物质的微量分析方法FritzPregl1922质谱仪,同位素,FrancisWilliamAston附表：化学奖23时间获奖技术获奖人2017LIGO探测器RainerWeiss,BarryC.BarishandKipS.Thorne2013大型强子对撞机FrançoisEnglertandPeterW.Higgs2009通信光纤传输CharlesKuenKao2005激光精密光谱学JohnL.HallandTheodorW.Hänsch2000用于高速和光电电子的半导体ZhoresI.AlferovandHerbertKroemer1994中子衍射技术BertramN.Brockhouse1992微粒探测器GeorgesCharpak1986扫描隧道显微镜GerdBinnigandHeinrichRohrer1980高分辨率电子光谱学KaiM.Siegbahn1964基于脉泽-激光原理的振荡器和放大器CharlesHardTownes,NicolayGennadiyevichBasovandAleksandrMikhailovichProkhorov1924X射线光谱学KarlManneGeorgSiegbahn1909无线电报GuglielmoMarconiandKarlFerdinandBraun1907光学精密仪器AlbertAbrahamMichelson附表：物理奖24时间获奖技术获奖人2013磁共振成像PaulC.LauterburandSirPeterMansfield1979计算机辅助断层扫描技术AllanM.CormackandGodfreyN.Hounsfield附表：生理或医学奖25谢谢观看