2015-08-28 11:47:00
在对蛋白质的研究上，最近几年学术界建立了庞大的资料库，对基础科研和医疗应用都有很大的助力。说到大资料（Big Data），在此先简单评论两句：像是分子这种遵循基本物理规律的对象，大资料是极佳的研究手段，但是像是人文、社会、金融、经济、细胞或整个人体这些本身已经是高度复杂的系统，大资料的分析就必须考虑到很多隐性的因素，否则结果必然似是而非。很不幸的，一般的博士班学生和政府官员欠缺常识与经验，拿了大资料来做了天真幼稚的分析，以为论文能发表，内容就是对的。去年我和John Hopkins大学生物系的一位老教授聊起这个问题，两人有志一同，不胜唏嘘。
好了，言归正传。人体内有2万多个为蛋白质编码的基因，但是实际能產生出来的各型蛋白质至少有20多万种。再加上细菌和病毒的蛋白质，学术界必须研究的对象数目极高。以往要决定蛋白质分子自我折迭后的形状，基本上必须先大量复制，然后让它形成晶体，然后再以例如X-光散射（另一个办法是核磁共振，NMR，也是从物理借来的工具）来决定晶体的结构。这也就是为什么近年来，原本为高能物理发展的加速器被改用为同步辐射X光源。台湾刚刚在2015年完成最新一代的“台湾光子源”，从纸面上的性能指标来看，其同步辐射的强度、密集度和稳定性都与最先进的美国系统很接近，胜过大陆已有的同步辐射光源。至于大陆是否有更新更强的系统在建造中，我就不知道了。
不过为蛋白质长晶的过程极为困难，有时是根本就做不到的；就算能做得到，也费时费力；而且蛋白质分子形成固态晶体后的形状并不一定和在活体环境下相同，所以研究蛋白质的圣杯（Holy Grail）就是要发展出能对单个在活体环境下的蛋白质做形状分析的手段。所有研究工具中，原本看来最合适的就是穿透式电子显微镜（Transmission Electron Microscope）；它利用量子力学里物质的波粒双重性，以电子波来代替光波。在使用典型的30万伏特系统下，电子的波长是0.02 Å（1 Å=0.1nm，一般有机分子里的原子直径大约是1-4 Å），理论上可以轻易地解析出个别原子；而可见光的波长在4000 Å以上，所以传统的显微镜当然没有看清分子结构的可能（根据光学的基本定理，亦即Rayleigh Criterion，解析的极限是波长的一半）。
但是用电子显微镜来研究单个有机分子，有两个很大的困难：首先，有机分子里的原子如碳、氢、氧等等都是很轻的元素，对电子的散射很弱，在只有单个分子的时候很难形成清晰的影像（而且是分子越小就越困难）。其次，有机分子里的原子键往往经不起高强度的电子束轰击，为了保护分子不被马上打成碎片，电子显微镜必须被限制到很低的功率，这更进一步地减弱了成像的能力。解决方案的第一步是先把有机分子和它的周遭环境急速冷冻到液氮或液氦温度，如此一来那个分子仍然保持着原本的形状，但却已是固态，可以承受较高剂量的电子辐射。这个技术叫做Cryo-Electron Microscopy（冷冻电镜，简称Cryo-EM），而Cryo-EM最大的用途就是如上所说的用来研究单个有机分子的形状，这时就叫做Single-Particle Cryo-Electron Microscopy（单粒子冷冻电镜）。
不过冷冻电镜一开始的解析度仍然在两位数的Å（2008年时是12Å），距离能真正为蛋白质分子定形还差得很远。2008年北京清华大学的施一公教授决定全力投入冷冻电镜的发展，很快地带动了整个中国学术界对冷冻电镜的热情。经由与英国的软体研究室的合作，施一公的团队在去年把解析度提升到4 Å，然后在2015年八月终于发表了解析度达到3.4Å的研究结果，其重要性就在于3.4Å恰恰足以辨认有机分子里所有的主要结构细节。施一公这篇突破性论文的研究对象是已知是Alzheimer's关键的蛋白质，叫做γ-Secretase。这个蛋白质有几十种突变的变种，有些容易引起Alzheimer's，有些则相反；所以把它们的形状确定了，对了解Alzheimer's的发生机制和治疗方法将有极大的助益。因为这个突破不但有极重要的实际应用，而且也为学术界开启了一个新的研究纪元，施一公应该可以得到诺贝尔奖；不过目前还有很多工作要做，例如这一篇论文只研究了十个比较次要的γ-Secretase变种，施一公已经宣布关于其他变种的后续论文将会很快发布，我们拭目以待。
【后注】2017的诺贝尔化学奖（其实应该是生医奖比较切题）的确给了发明冷冻电镜的三位欧美专家。施一公大概被视为后续改进者，只有在他的研究真正引领出对Alzheimer's的突破之后，才能寄望诺贝尔奖了。