对话诺奖得主Joachim Frank：解密冷冻电镜的重构技术

"对诺奖得主Joachim Frank的访谈，深入解析冷冻电镜技术及其在生物分子结构解析中的应用" Joachim Frank教授，2021年诺贝尔化学奖得主，因其在“冷冻电镜，用于生物分子结构的高辨别率解析”方面的杰出贡献而闻名。他的工作不仅推动了生物物理学科的发展，而且对于理解生命的基本过程有着深远的影响。冷冻电镜（Cryo-EM）是一种革命性的技术，它允许科学家在近原子分辨率下观察生物大分子，如蛋白质和核酸。 冷冻电镜的核心在于其独特的样本制备和成像方法。首先，生物样本被迅速冷冻至液氮温度，形成玻璃化的冰态样本，这一步骤保留了样本的天然状态，避免了传统电子显微镜中由于电子束造成的样本损伤。然后，利用高能电子束对样本进行扫描，产生一系列二维投影图像。这些图像随后通过复杂的计算算法（如Frank教授开发的SPIDER软件）进行三维重构，最终得到分子的立体结构。 在Frank教授的研究生涯中，他不断完善电子显微镜图像处理的单颗粒算法，这一技术使得无需晶体就能解析复杂生物分子的结构。这对于那些难以结晶或形态多变的分子来说尤其重要。例如，他对于核糖体结构的解析揭示了这个复杂的分子机器如何执行遗传信息的翻译，这对于抗生素的研发和理解蛋白质合成的基本机制具有重大意义。 在对话中，Frank教授强调了冷冻电镜在揭示分子机器动态行为上的潜力。不同于X射线晶体学只能捕捉到静态结构，冷冻电镜可以捕捉到分子在不同状态下的瞬间，从而提供关于分子动力学的宝贵信息。他还讨论了冷冻电镜技术的最新进展，包括分辨率的提升、数据处理效率的提高以及自动化系统的引入，这些都极大地加速了研究进程。 对话环节中，Frank教授耐心解答了学生们关于冷冻电镜技术如何应用于疾病研究、如何克服数据处理的挑战以及未来技术发展的可能性等问题。他的解答鼓励了年轻科研人员对这一领域的热情，也展示了冷冻电镜在生物医学和药物发现等领域中的广阔应用前景。 冷冻电镜技术的出现极大地推进了生物科学的边界，使得科学家能够以前所未有的方式观察并理解生命的微观世界。Joachim Frank教授的工作无疑是这个领域的里程碑，他的贡献将继续启发新一代科学家探索生命的奥秘。