深圳商報2019年1月16日訊 （記者吳吉/文陳錫明/圖）一個“顯微鏡”有多貴？答案是千萬或者上億元。
在南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心一棟普通科研樓里，就藏著這些身價驚人的“大家伙”。這些“寶貝”被精心呵護(hù)，嬌貴得甚至容不下一點噪音。與此同時，科學(xué)家通過它們，不停地讀取著生命科學(xué)、新材料、新能源研究領(lǐng)域中不可或缺的重要密碼。
2018年11月19日，南科大冷凍電鏡中心正式揭牌。全部建成后，這將是我國配套最齊全、最先進(jìn)的冷凍電鏡實驗室，同時規(guī)模也將躋身世界前三。近日，深圳商報記者走進(jìn)這里，探訪這些表面低調(diào)卻內(nèi)有乾坤的“大顯微鏡”。
6臺機器世界先進(jìn)，還有“獨家定制”
南科大冷凍電鏡中心是深圳市政府出資、南科大牽頭建設(shè)的重大基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)施平臺，旨在支撐深圳市、粵港澳大灣區(qū)及中國南方在生物醫(yī)藥、精準(zhǔn)醫(yī)療、新能源、新材料方面的科學(xué)研究及產(chǎn)業(yè)升級。
南科大冷凍電鏡實驗室擬安裝300千伏冷凍電鏡6臺及其它71臺/套相關(guān)輔助儀器和樣品制備設(shè)備。目前，項目一期的2臺300千伏冷凍電子顯微鏡已經(jīng)完成安裝調(diào)試，投入使用。據(jù)南科大冷凍電鏡實驗室主任王培毅教授介紹，這6臺設(shè)備都是世界上最先進(jìn)的，其中還有一臺是南科大冷凍電鏡中心根據(jù)需求“獨家定制”的，可以說是“世界唯一”。
2017年諾貝爾化學(xué)獎得主理查德·亨德森曾預(yù)言，這里將會成為全球最大的三個冷凍電鏡中心之一，未來的研究能力將會達(dá)到全球的前5%。
在全球范圍，冷凍電鏡近幾年熱度飆升，成為科學(xué)界“兵家必爭之地”。2017年諾貝爾化學(xué)獎頒給了在這個領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家，更是說明冷凍電鏡炙手可熱。那么，究竟什么是冷凍電鏡？王培毅教授告訴記者，冷凍電鏡是電子顯微鏡的一種，它的工作原理和光學(xué)顯微鏡類似，也是通過光與樣品的相互作用而成像。只是冷凍電鏡所用的光源不是人們平時見到的可見光，而是電子。由于波長的限制，可見光的分辨率一般是1500倍以下，而電子的波長非常短，大約是普通光波長的十萬分之一左右，因此冷凍電鏡的分辨率可以達(dá)到更高的程度，能夠直接觀測到蛋白質(zhì)分子一類的生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
以生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用為例，冷凍電鏡技術(shù)就是“把組成動、植物的蛋白用生物學(xué)的方法取出后，以快速冷凍的方式冷凍到液氮溫度（－196度），這樣可以保持蛋白的活性。在這種狀態(tài)下用冷凍電鏡觀察活蛋白，可以達(dá)到零點幾納米的分辨率，由此準(zhǔn)確判斷藥物靶標(biāo)的位置，并根據(jù)藥物靶標(biāo)來開發(fā)新藥?！币驗榭梢浴翱础钡酶?xì)，所以冷凍電鏡技術(shù)在很多領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用，被視做是材料科學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)研究的利器。
“目前，全國購置的冷凍電鏡有27臺，主要集中在北京、上海等地。我們購買的冷凍電鏡，根據(jù)研究的領(lǐng)域不同有所側(cè)重，有些偏重于材料科學(xué)，有些偏重于生命科學(xué)。我們定制的那一臺‘世界唯一’的冷凍電鏡，就是希望它能夠在重大疾病的診斷方面發(fā)揮作用。”王培毅教授告訴記者，2019年將是南科大冷凍電鏡中心非常重要的一年，除了定制的那一臺冷凍電鏡外，其他購置的電鏡將陸續(xù)到位，安裝、調(diào)試后，電鏡中心的工作將在2020年邁上新臺階。
“大家伙”很嬌貴也很辛苦
隔著玻璃，記者順著王培毅教授的指引，看到了目前已經(jīng)使用的兩臺冷凍電子顯微鏡靜靜矗立。但是，近300平方米的機房內(nèi)，卻沒有工作人員忙碌的身影。
這是為什么？“首先，我們的機房內(nèi)一般是沒有人的，工作人員的工作都通過計算機遠(yuǎn)程操控完成，只在裝樣品的時候才進(jìn)入十幾分鐘。另一個原因是，今天實驗室內(nèi)有施工，考慮到施工帶來的噪音會影響電鏡工作，所以今天我們不提取數(shù)據(jù)?！蓖跖嘁憬淌诘慕忉屪層浾叽蟪砸惑@——這些“身材魁梧”的“大家伙”，原來是一點噪音都會受影響的“嬌小姐”！
因為冷凍電鏡十分精密，所以對環(huán)境的要求很嚴(yán)苛。據(jù)王培毅教授介紹，為了減少振動帶來的影響，機房的地面厚度約1米，且是獨立建設(shè)的，跟周圍建筑物完全分離，甚至連空調(diào)的風(fēng)速都必須嚴(yán)格監(jiān)控。機房內(nèi)必須經(jīng)過嚴(yán)格的消磁，在里面是沒有手機信號的。機房內(nèi)的溫度、濕度都恒定，溫度變化每小時不超過0.2℃。還有一個房間專門用來制作樣品，房間內(nèi)的濕度保持在20%，因為只有在這樣相對干燥的環(huán)境里才能保證樣品的質(zhì)量。如此小心翼翼地“伺候”，就是為了讓冷凍電鏡更好地運轉(zhuǎn)、工作。要知道，除了每個月兩天的維護(hù)、保養(yǎng)時間外，冷凍電鏡可是24小時連軸轉(zhuǎn)的。
“冷凍電鏡與普通材料電鏡最大的不同在于，冷凍電鏡的結(jié)果是統(tǒng)計結(jié)果，需要大數(shù)據(jù)。普通的材料電鏡，拍一張照片就有結(jié)果，但冷凍電鏡需要拍成千上萬的照片，然后用統(tǒng)計學(xué)的方法把結(jié)果算出來。這也就說明了，為什么一般機構(gòu)購置冷凍電鏡都需要兩臺以上，因為它要解析一個樣品，需要幾十個小時甚至更長的電鏡時間?！崩鋬鲭婄R的相機靈敏度有多高？王培毅教授打了一個比方——相當(dāng)于在幾萬公里的高空可以看到桌子上的一瓶水。這些高精度的照片存儲量驚人，“一臺電鏡一天就能采集2T以上的數(shù)據(jù)量”，而后的數(shù)據(jù)分析和解讀無疑也是一項巨大的工程。
期待中國原創(chuàng)靶向藥從這里走出
這幾臺世界先進(jìn)的“大家伙”，究竟能為老百姓帶來什么？
王培毅表示，在生活水平日益提高的情況下，健康成為人人關(guān)心的焦點。對于深圳而言，下一階段的城市發(fā)展，生物醫(yī)藥和健康產(chǎn)業(yè)將是巨大的“增長點”。南科大建設(shè)世界一流的冷凍電鏡中心，目的就是通過利用國際最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)研究，聚焦重大疾病診斷、新藥開發(fā)、精準(zhǔn)醫(yī)療、功能材料研發(fā)和基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)等領(lǐng)域，促進(jìn)深圳新材料、醫(yī)療衛(wèi)生、健康產(chǎn)業(yè)和高等教育的發(fā)展，同時積極服務(wù)于國家戰(zhàn)略需求，造福百姓。
盡管冷凍電鏡未來在許多領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間，但在王培毅心目中，冷凍電鏡研究的終極目標(biāo)還是為了人類的健康事業(yè)。“想要解決重大的疑難疾病的治療問題，就必須要研發(fā)藥物，然而藥物的研發(fā)過程極其漫長，從研發(fā)到上市一般需要歷經(jīng)十年。治療白血病的藥物研發(fā)前后則是經(jīng)歷了近100年。而冷凍電鏡可以通過低溫冷凍技術(shù)，觀察活的原始樣本，進(jìn)而用于研究致病機理，例如發(fā)現(xiàn)癌癥的致病機理，從而推動癌癥等重大疾病的診斷和治療，極大地縮短制藥的時間。”王培毅教授說，自己的最大心愿就是縮短靶向藥物的研發(fā)時間，助力中國研發(fā)自己的原創(chuàng)藥。
除了生命科學(xué)領(lǐng)域的課題外，目前南科大冷凍電鏡中心的研究重點還有新能源和新型化合物。此外，實驗室還將積極開展多學(xué)科交叉研究，并與學(xué)校已經(jīng)建成的X射線晶體學(xué)平臺、生物質(zhì)譜蛋白質(zhì)組學(xué)分析平臺形成互補，開展國際上最前沿的蛋白質(zhì)科學(xué)研究，為結(jié)構(gòu)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)，化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域搭建交叉學(xué)科平臺。
“各個學(xué)科對于冷凍電鏡的需求是十分巨大的。目前我們還未全面對外開放，但排隊的樣品已經(jīng)排到了春節(jié)以后?！边@個春節(jié)，王培毅教授和他的團隊將在忙碌中度過了……