2017年诺贝尔化学奖.ppt

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1、2017年年诺贝尔化学化学奖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-ray crystallography科技创新驱动学科发展22020/11/302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32020/11/303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

2、2020/11/304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52020/11/3051968年，剑桥大学MRC分子生物学实验室，Aron Klug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。Aron Klug因此获得1982年诺贝尔化学奖。1974年，加州大学伯克利分校的Robe

3、rt Glaeser和他学生Ken Taylor 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62020/11/306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（7）原子级分辨率的细菌视紫红质结构Richard Henderson72020/11/307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Joachim Frank82020/11/308重要贡献：在真空环境下使生物分

4、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Jacques Dubochet92020/11/309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102020/11/3010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。112020/11/3

5、0112013年 加 州 大 学 旧 金 山 分 校（UCSF）程亦凡和David Julius的研究组首次得到膜蛋白TRPV1的3.4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3.4的人源Y分泌酶复合物结构TRPV1蛋白的三维结构122020/11/3012（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2020/11/30132015年8月21日，施一公团队在科学（Science）同时在线发表了两篇研

6、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=CNS142020/11/3014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=CNS152020/11/3015诺奖级助手终获诺奖诺奖级助手终获诺奖特

7、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Nature Methods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162020/11/3016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。172020/11/3017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

8、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182020/11/3018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192020/11/3019样品

9、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(in situ)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202020/11/3020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

10、。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212020/11/3021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222020/11/3022时间获奖技术获奖人2017冷冻电子显微镜

11、Jacques Dubochet,Joachim Frank and Richard Henderson2014超分辨荧光显微技术Eric Betzig,Stefan W.Hell and William E.Moerner2002核磁共振光谱学确定大分子三维结构Kurt Wthrich1999飞秒光谱Ahmed H.Zewail1993PCRKary B.Mullis1991高分辨率核磁共振(NMR)光谱学Richard R.Ernst1982晶体电子显微镜Aaron Klug1964x-射线技术研究生物化学的物质的结构Dorothy Crowfoot Hodgkin1960carbon-1

12、4技术Willard Frank Libby1959极谱分析方法Jaroslav Heyrovsky1948电泳和吸附分析Kaurin Tiselius1936气体中 X 射线和电子的衍射Petrus(Peter)Josephus1931化学高压方法Carl Bosch and Friedrich Bergius1923有机物质的微量分析方法Fritz Pregl1922质谱仪,同位素,Francis William Aston附表：化学奖232020/11/3023时间获奖技术获奖人2017LIGO 探测器Rainer Weiss,Barry C.Barish and Kip S.Thorn

13、e2013大型强子对撞机Franois Englert and Peter W.Higgs2009通信光纤传输Charles Kuen Kao2005激光精密光谱学John L.Hall and Theodor W.Hnsch2000用于高速和光电电子的半导体Zhores I.Alferov and Herbert Kroemer1994中子衍射技术Bertram N.Brockhouse1992微粒探测器Georges Charpak1986扫描隧道显微镜Gerd Binnig and Heinrich Rohrer1980高分辨率电子光谱学Kai M.Siegbahn1964基于脉泽-激光

14、原理的振荡器和放大器Charles Hard Townes,Nicolay Gennadiyevich Basov and Aleksandr Mikhailovich Prokhorov1924X 射线光谱学Karl Manne Georg Siegbahn1909无线电报Guglielmo Marconi and Karl Ferdinand Braun1907光学精密仪器Albert Abraham Michelson附表：物理奖242020/11/3024时间获奖技术获奖人2013磁共振成像Paul C.Lauterbur and Sir Peter Mansfield1979计算机辅助断层扫描技术Allan M.Cormack and Godfrey N.Hounsfield附表：生理或医学奖252020/11/3025