2017年諾貝爾化學獎》「冷凍電子顯微鏡」技術大師獲殊榮

2017-10-04 17:57

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2017年諾貝爾化學獎得主瑞士學者杜布歇 (Jacques Dubochet)、德國學者法蘭克(Joachim Frank)、英國學者亨德森(Richard Henderson)。(圖/諾獎委員會)

2017年諾貝爾化學獎得主瑞士學者杜布歇 (Jacques Dubochet)、德國學者法蘭克(Joachim Frank)、英國學者亨德森(Richard Henderson)。(圖/諾獎委員會)

2017年諾貝爾化學獎4日在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉,由瑞士學者杜布歇(Jacques Dubochet)、德國學者法蘭克(Joachim Frank)、英國學者亨德森(Richard Henderson)共享殊榮,得獎理由是「發展冷凍電子顯微鏡技術,以高解析度呈現溶液中的生物分子結構」。3位大師將共享900萬瑞典克朗(約新台幣3300萬元)獎金。

在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術,就叫做「冷凍電子顯微鏡技術」(cryo-electron microscopy),簡稱「冷凍電鏡」(cryo-EM)。冷凍電鏡是重要的結構生物學研究方法,與X射線晶體學(X-ray crystallography)和核磁共振(NMR)共同構成高解析度結構生物學研究的基礎,在探究生物大分子結構並揭示其功能方面極為重要。

瑞典皇家科學院(Kungliga Vetenskapsakademien)指出,世人很快就能夠以原子層級的解析度,觀察生命的複雜機制,這都要感謝今年3位得主杜布歇、法蘭克與亨德森,他們發展出的冷凍電子顯微鏡技術大幅簡化、增進了生物分子的成像,帶領生物化學進入新天地。

生物分子3D影像,左為2013年之前的解析度,右為目前的解析度(諾貝爾獎委員會)
生物分子3D影像,左為2013年之前的解析度,右為目前的解析度(諾貝爾獎委員會)

影像是理解事物的一把「鑰匙」,科學突破往往奠基於將肉眼看不見的事物視覺化。然而由於技術的侷限,生物化學領域過去在這方面的留白卻很多,難以獲取生命分子機制的影像。冷凍電鏡技術的出現改變了一切,如今科學家能夠將運動中的生物分子凍結,獲取它們的影像。對於理解生命的化學作用與藥物研發,冷凍電鏡技術都是關鍵。

2017年諾貝爾化學獎。
2017年諾貝爾化學獎,生物分子的3D結構影像。

電子顯微鏡的強力電子束會摧毀生物組織,原本只適合無生命物質。但是亨德森在1990年做出重大突破,運用電子顯微鏡獲取蛋白質分子的原子解析度影像,顯示這種技術的潛力。

法蘭克則是更早就推進這種技術的應用,從1975至1986年間,他研發出一種影像處理技術,分析電子顯微鏡模糊的2D影像,並加以結合,形成清晰的3D結構影像。

2017年諾貝爾化學獎得主之一、瑞士學者杜布歇 (取自www.unil.ch)
2017年諾貝爾化學獎得主之一、瑞士學者杜布歇 (取自www.unil.ch)

杜布歇將「水」這項要素引入電子顯微鏡技術。液態水會在電子顯微鏡的真空中蒸發,導致生物分子結構崩解。1980年代初期,杜布歇成功讓水分子在快速冷凍過程中「玻璃化」(vitrifying),讓生物分子能夠在真空中保持原有的形態。

拜3位大師之賜,電子顯微鏡技術從此精益求精,並在2013年達到原子解析度的目標。如今研究人員獲取生物分子的3D結構影像已是家常便飯,從對抗生素產生抗藥性的蛋白質,到一度大流行的茲卡病毒(Zika virus),在科學文獻中俯拾即是。生物化學正在突飛猛進,前景令人無比期待。

3位得主簡歷:

杜布歇今年75歲,生於瑞士艾格來(Aigle),日內瓦大學(University of Geneva)與巴塞爾大學(University of Basel)博士,目前是瑞士洛桑大學(University of Lausanne)榮譽教授。

法蘭克今年77歲,生於德國西根(Siegen),慕尼黑工業大學(Technische Universität München)博士,目前是美國哥倫比亞大學(Columbia University)教授。

亨德森今年72歲,生於英國蘇格蘭愛丁堡(Edinburgh),劍橋大學(Cambridge University)博士,目前是劍橋大學MRC分子生物學實驗室(MRC Laboratory of Molecular Biology)主任。

去年2016年諾貝爾化學獎是由法國學者索瓦希(Jean-Pierre Sauvage)、英國學者史托達特(Sir J. Fraser Stoddart)、荷蘭學者費倫加(Bernard L. Feringa)共享殊榮,得獎理由是設計與合成出全世界最小的機器──分子機器(molecular machines)。

2017年諾貝爾獎6大獎項,得主與揭曉時間(台灣時間)如下:

生理學或醫學獎:霍爾(Jeffrey C. Hall)、羅斯巴赫(Michael Rosbash)、楊格(Michael W. Young)
物理學獎:韋斯 (Rainer Weiss)、巴瑞許(Barry C. Barish)、索恩(Kip S. Thorne)
化學獎:杜布歇 (Jacques Dubochet)、法蘭克(Joachim Frank)、亨德森(Richard Henderson)
文學獎:10月5日(星期四)傍晚7時
和平獎:10月6日(星期五)下午5時
經濟學獎:10月9日(星期一)下午5時45分

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