2017年10月4日是冷凍電鏡的“高光”時(shí)刻。這一天，瑞典皇家科學(xué)院向全世界宣布，將2017年諾貝爾化學(xué)獎頒給發(fā)明冷凍電鏡的三位學(xué)者：哥倫比亞大學(xué)教授約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）、英國劍橋大學(xué)生物學(xué)家和生物物理學(xué)家理查德·亨德森（Richard Henderson）以及瑞士洛桑大學(xué)生物物理學(xué)榮譽(yù)教授雅克·迪波什（Jacques Dubochet），以表彰他們在冷凍顯微技術(shù)領(lǐng)域的貢獻。

       “科學(xué)發(fā)現往往建立在對肉眼看不見(jiàn)的微觀(guān)世界進(jìn)行成功顯像的基礎之上，但是在很長(cháng)時(shí)間里，已有的顯微技術(shù)無(wú)法充分展示分子生命周期全過(guò)程，在生物化學(xué)圖譜上留下很多空白，而低溫冷凍電子顯微鏡將生物化學(xué)帶入了一個(gè)新時(shí)代。”諾貝爾獎評選委員會(huì )如是說(shuō)。

       事實(shí)上，近年來(lái)冷凍電鏡的“高光”時(shí)刻不只這一個(gè)，正如中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授隋森芳所言，此前生物學(xué)領(lǐng)域應用冷凍電鏡產(chǎn)出的一系列高水平論文讓原子水平解釋生命現象成為可能。從分子級別到原子級別，這是生物學(xué)領(lǐng)域的巨大突破，冷凍電鏡的重要意義不言而喻。

       技術(shù)快速發(fā)展

       冷凍電鏡到底是什么？從上世紀70年代興起至今，冷凍電子顯微技術(shù)（cryo-electron microscopy， cryo-EM）已經(jīng)跨越了40多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了冷凍制樣、單顆粒圖像分析和三維重構算法等關(guān)鍵性技術(shù)的突破。

       通俗而言，冷凍電鏡就是在傳統透射電子顯微鏡之上，加上了低溫傳輸系統和冷凍防污染系統。

       中國科學(xué)院上海藥物研究所冷凍電鏡平臺（籌）負責人余學(xué)奎向《中國科學(xué)報》介紹道，冷凍電子顯微技術(shù)主要包括單顆粒冷凍電鏡技術(shù)（single-particle cryo-EM）和冷凍電子斷層掃描技術(shù)（cryo-electron tomography，cryo-ET）。

       單顆粒冷凍電鏡技術(shù)首先捕獲大量隨機分布的同一種生物樣品的二維圖像，然后通過(guò)圖像處理算法解析其三維結構。

       近年來(lái)，隨著(zhù)冷凍電鏡設備和計算機軟硬件的快速發(fā)展，特別是隨著(zhù)直接電子探測器（Direct Electron Detector，DED）在冷凍電鏡中的應用，單顆粒冷凍電鏡技術(shù)邁進(jìn)了原子分辨率水平，在生物學(xué)、醫學(xué)和新藥研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。

       Cryo-ET則通過(guò)記錄單個(gè)生物樣品在傾斜旋轉過(guò)程中投影的一系列二維圖像，采用特殊的算法計算，將二維圖像重構為三維斷層圖像。Cryo-ET主要研究組織、細胞和微生物中的超微結構，它能夠提供生理環(huán)境下大分子復合物納米、亞納米甚至近原子尺度的原位結構信息以及其與其它大分子的相互作用信息。

       Cryo-ET日益發(fā)展成為研究細胞結構與功能的主要技術(shù)手段。

       需補齊人才“短板”

       顯然，填補生物化學(xué)圖譜上的“空白”成為“新時(shí)代”生命科學(xué)研究領(lǐng)域的新賽道，各國科學(xué)家爭先在這里施展拳腳。算上2018年11月19日南方科技大學(xué)的冷凍電鏡中心揭牌，僅國內科研機構引進(jìn)高端電鏡設備就已超過(guò)20臺。

       隋森芳告訴《中國科學(xué)報》，與國際上相比，國內該領(lǐng)域研究機構雖然硬件設備條件有了極大提升，但人才依然是短板。

       余學(xué)奎對此表示認同。他表示，盡管冷凍電鏡設備非常昂貴，但包括中國、歐州和美國等眾多國家，都在投入大量資金購買(mǎi)冷凍電鏡設備，因此冷凍電鏡相關(guān)人才短缺是一個(gè)世界性問(wèn)題。“由于我國在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展時(shí)間較短而又最為快速，其人才短缺問(wèn)題尤其嚴重。”

       如果這些好的電鏡設備要轉化成研究成果，還需要國家在政策上鼓勵，隋森芳表示，“電鏡人才不是‘批量生產(chǎn)’的，是一個(gè)一個(gè)培養的，需要經(jīng)過(guò)從樣品制備到控制電鏡在什么條件下輸數據再到圖像處理等比較全面的培養過(guò)程”。

       在結構生物學(xué)領(lǐng)域，30歲~40歲這一年齡層次有一批國際頂尖的科學(xué)家是華人科學(xué)家。

       “盡可能多地加大海外人才的引進(jìn)，這是一個(gè)比較‘短平快’的方式，另一方面，也要讓國內培養的年輕學(xué)者留下來(lái)。”隋森芳說(shuō)。

       隋森芳表示，冷凍電鏡的人才短缺主要包括兩個(gè)方面，一是應用冷凍電鏡解決生命科學(xué)問(wèn)題的人才，二是對冷凍電鏡設備進(jìn)行管理和運行的人才。不過(guò)，前者較易通過(guò)引進(jìn)海外優(yōu)秀人才的方式使其短時(shí)間內盡可能填補，后者則需要國家創(chuàng )造更好的留住或培養人才的條件。

       “管理和運行冷凍電鏡設備的專(zhuān)業(yè)人才，他們的重要性一點(diǎn)兒都不比電鏡的應用人才差。”隋森芳告訴《中國科學(xué)報》，“但是，我們需要提供與之相匹配的待遇和人才管理機制，為他們提供好的上升空間，不能單純用論文來(lái)衡量。”

       “國內硬件條件很好了，但很多海外相關(guān)領(lǐng)域人才不愿意回來(lái)，就是因為周?chē)蒲械能洯h(huán)境還不夠。實(shí)際上人比設備還重要，人才和設備應并重。”隋森芳說(shuō)，“國家應該在高端電鏡關(guān)鍵技術(shù)上加大投入，設立研究方向做引導。”

       前期積累薄弱

       當前，冷凍電鏡設備的生產(chǎn)技術(shù)卻幾乎完全被歐洲和日本的廠(chǎng)商壟斷。

       隋森芳告訴《中國科學(xué)報》，全世界生產(chǎn)冷凍電鏡的廠(chǎng)商只有日本電子、日立和荷蘭的FEI（現已被賽默飛公司收購）3家。

       “目前國內沒(méi)有一家企業(yè)生產(chǎn)透射式電鏡。”余學(xué)奎也對《中國科學(xué)報》表示，在冷凍電鏡的市場(chǎng)占有率方面，幾乎是FEI一家獨大的局面，與冷凍電鏡配套的直接電子探測器也主要是美國Gatan公司的K2相機。

       “國內在應用冷凍電鏡解析生物大分子結構方面處于世界領(lǐng)先水平，其與國外先進(jìn)水平的差距主要在冷凍電鏡及其配套設備的研發(fā)制造方面。”余學(xué)奎表示。那么，為什么沒(méi)有國內廠(chǎng)商生產(chǎn)冷凍電鏡，存在哪些“卡脖子”問(wèn)題？

       “現階段國內廠(chǎng)商做整機不一定拼得過(guò)國外同行。”隋森芳表示，國外的先進(jìn)電鏡設備都是經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)積累，如果國內想急于求成做高端電鏡，“我覺(jué)得以我們現在的積累，條件并不是特別成熟”。

       “科學(xué)家也愛(ài)國，當然也希望采用國產(chǎn)的設備。”隋森芳說(shuō)，但科研工作者需要通過(guò)設備使用去解決最前沿的生物學(xué)問(wèn)題，“誰(shuí)的好肯定是用誰(shuí)的”。而就目前的設備技術(shù)水平來(lái)看，市場(chǎng)已經(jīng)被國外先進(jìn)公司占領(lǐng)，國產(chǎn)電鏡即使投入大資金快速發(fā)展也很難在短期內達到國外先進(jìn)電鏡設備所得實(shí)驗結果的可信度。

       在余學(xué)奎看來(lái)，冷凍電鏡設備或技術(shù)的研發(fā)涉及材料、光學(xué)、生物、計算科學(xué)、半導體、系統集成和先進(jìn)制造等多個(gè)學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，加之冷凍電鏡在過(guò)去很長(cháng)一段時(shí)間都是一個(gè)小眾市場(chǎng)，“我國對相關(guān)領(lǐng)域缺乏足夠重視和長(cháng)期投入，這也許是我國與國際先進(jìn)行列存在差距的主要原因”。

       如此背景下，在某些具體核心技術(shù)上發(fā)力或許是國內相關(guān)領(lǐng)域擺脫依賴(lài)、實(shí)現“突圍”的不錯選擇。

       隋森芳認為，可以集中力量在圖像采集技術(shù)、圖像處理和結構解析、以及冷凍系統的樣品制備技術(shù)，各個(gè)擊破，可以先在這些具體技術(shù)上發(fā)展。

       “這些核心技術(shù)發(fā)展之后，再做冷凍電鏡整機，自然而然就有了一定的積累。”隋森芳說(shuō)。他補充道，基礎核心技術(shù)發(fā)展起來(lái)之后，不僅電鏡可以使用，也可以在一些軍事或其他產(chǎn)業(yè)得到應用。

       發(fā)論文并不因“電鏡”變易

       近年來(lái)，隨著(zhù)公眾對生物科學(xué)認知度的提高，每有科研機構投入大量資金引進(jìn)高端電鏡設備，網(wǎng)絡(luò )上總會(huì )出現一些聲音，認為“買(mǎi)電鏡”是為了“刷論文”，“冷凍電鏡讓結構生物學(xué)很容易在頂級期刊上發(fā)表論文”“實(shí)用價(jià)值有限”等。對此，隋森芳認為并非如此。

       “結構生物學(xué)以前出了一批好的論文，但這些論文也是不容易的，這些成果都是一個(gè)實(shí)驗室多年積累的結果。”隋森芳告訴《中國科學(xué)報》，“網(wǎng)絡(luò )有時(shí)候并不能特別真實(shí)地反映科學(xué)研究的艱辛程度。如果說(shuō)發(fā)論文是個(gè)優(yōu)勢的話(huà)，我覺(jué)得還應該繼續發(fā)揮。”

       隋森芳表示，不管是藥物還是生命的問(wèn)題，最基本的還是要從分子、原子層解釋其機制，那就需要做結構分析，而做結構分析“看得最清楚那就是電鏡了”.