冷冻电镜三维分子成像国际研讨会在京举行

2010-8-17 09:07 来源: 科学时报
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  8月8日至12日,第三届郭可信电子显微学与晶体学暑期学校暨冷冻电镜三维分子成像国际研讨会在北京中科院生物物理研究所召开。

  郭可信先生培养的81级硕士生、现纽约大学教授王大能是这项活动的倡导者和发起者之一。他回忆说:“郭先生虽然是著名的材料物理学家,但对电子显微镜在生物学领域的应用也有很多思考。由于当时国内条件的局限,他的想法没能真正实现。如今,郭可信培养的120余名研究生中,有不少人,包括我自己,已致力于电镜的生物学研究”。

  “先生2006年走了,我们希望能够继承和发扬他的事业,传承其科学思想和科学精神。2007年,身居海外的学者与国内的研究人员进行了一次认真的商讨,包括我和现任生物物理所副所长、“千人计划”学者许瑞明等,开始着手在中国开办郭可信电子显微学与晶体学暑期学校,让材料科学与生物学轮换开班。”王大能补充道。

  据介绍,为了给中国青年学子提供更多与国际大师直接交流的机会,这项活动在2008年和2009年分别在清华大学和郑州大学举行过。

  交流新思想 展示新成果

  据悉,在这次活动中,组织者特别邀请到了多名重量级国际知名学者参与活动,交流他们的最新研究进展及实验技术。

  其中,针对基于电子显微照片的三维重构技术发展史,美国科学院院士David DeRosier作了全面概述;作为电子晶体学界的鼻祖,英国伦敦皇家学会会员、剑桥大学MRC分子生物学实验室神经生物系主任Nigel Unwin教授向与会听众呈现了乙酰胆碱受体(一种重要的神经递质受体)结构研究的前沿进展;美国国家生物大分子成像中心主任Wah Chiu教授就利用冷冻电镜技术获得生物大分子原子水平分辨率结构作了极为精彩的报告;美国加州大学洛杉矶分校教授周正洪通过将病毒结构学、计算生物学及生物信息学有机的结合,成功将低温电子显微镜技术的分辨率成功提高到原子水平。

  此外,组织者还邀请到了一大批在电镜领域表现突出的华裔青年科学家。如美国耶鲁大学教授王宏伟、美国NIH教授朱江、美国休斯敦得克萨斯大学教授刘俊、美国加利福尼亚旧金山大学教授程一凡、美国得克萨斯大学西南医学中心教授蒋秋兴、美国纽约Brookhaven国家实验室研究员李惠林、美国纽约州卫生署Wadsworth中心研究员隋海心、美国匹兹堡大学教授章佩君等,都各自展示了他们在这一领域取得的最新成果。

  让组织者感到意外和欣慰的是,本次暑期学校不仅吸引了中国学生,还有来自美、英、德、日等国家高校和研究所的专家、学者和学生参加。暑期学校在国内外的影响力正日益增强。

  观察从静态转向动态

  为让记者理解电子显微镜对于生物学发展的意义,王大能以艾滋病研究为例,讲解了其价值。

  艾滋病入侵人体主要依靠病毒细胞表面的蛋白与人体免疫细胞的结合。研究人员对此已研制出一些抗体,若抗体能与病毒结合,则可阻止病毒侵害人体。过去,科研人员主要使用X射线衍射技术研究这些问题,而使用这项技术需要对病毒颗粒进行提纯,再在单纯液态条件下与抗体结合,这是非生理情况下的结合,距离应用还有很远的距离。现在,研究人员若使用三维冷冻电子显微镜,不仅可以分析病毒的完整结构,还能够观察到整个病毒颗粒与抗体的结合,能够在接近生理条件下研究阻挡病毒侵害人体的方法。

  在病毒结构研究领域中,美国加州大学洛杉机分校的华裔教授周正洪做出了公认的最高分辨率工作。他已利用单颗粒三维重构技术得到了分辨率接近原子水平 3.3埃的球状病毒结构。

  王大能说:“利用冷冻三维电镜成像技术和相应的计算方法,研究人员所观察的不仅是静态的蛋白质结构,还能看到蛋白质动态的构像变化。”

  中科院院士隋森芳介绍说,为推动中国生物学快速发展,近年来国家不断加大投资力度,在科技部“973”项目的立项中,蛋白质设施占有重要位置,所谓蛋白质设施就包括冷冻三维电镜;在相关人才引进方面,中科院生物物理所、中科院上海生命科学院、清华大学、北京大学、中国科技大学都先后引进了高层次人才,旨在建立结合蛋白质科学与细胞生物学研究的重要突破点;在“十一五”规划期间,中国着重发展了电子显微学与晶体学及其与生物学的交叉科学,并已发表了一些重要文章;新老实验室都得到了长足的发展。

  人才到位可一步登天

  8月10日中午,参加这次研讨会的华人科学家聚集在中科院生物物理所蛋白质科学中心4层的会议室,讨论下一届开班事宜。会议通过了2012年第五届郭可信电子显微学与晶体学暑期学校在中国科技大学举办的决议。

  在会后的采访中,周正洪说:“冷冻电子显微学与晶体学这些年发展很快,除了在材料学方面继续拓展外,在生物学方面的应用得到了迅速发展,如艾滋病治疗研究新方法等。一些进行了一辈子晶体学研究的科学家,也开始用它研究生物学问题了。这种趋势在上世纪90年代中期已出现苗头。它的潜力在于能在原子水平研究生物体,而且并不需要结晶,由此可直接研究蛋白质药物”。

  周正洪认为,中国应该抓住历史机遇,在美欧等西方国家全面发生经济危机、削减科研经费,无法大量购买最先进的科研设备的时候,中国可以加速发展。中国现在已拥有国际上最先进的设备,只要培养人才到位,好好利用这些先进设备,即可一步登天。

  周正洪介绍说,关于冷冻电子显微镜,分辨率最高的设备,中国已有几台。欧洲当前买不起,处于空白状态;美国买了1台,却退回去了;德国现有3台,走在了英国前面;新加坡买了几台,现在正在用重金挖美国麻省理工学院的高级学者,尚无结果;沙特阿拉伯购买了5台,却没有人能够使用。

  民间行为多方支持

  本次活动的组织主席由中科院生物物理所研究员孙飞担任。

  孙飞认为,这次活动尽管是科学家自发性倡导,但得益于多方支持。首先,生物物理研究所拥有一流的电镜平台;其次,中国科学院、国家自然科学基金委员会、IUCr及一些国际知名公司均对活动给予了大力资助。

  孙飞说,近年来,在中科院的大力支持下,依托于生物物理研究所的中科院生物显微成像平台经过一期和二期的建设,已经初具规模。目前,平台拥有1台原子力显微镜,2台透射电子显微镜,1台世界上最先进的300千伏Titan Krios冷冻低温透射电镜。在样品制备方面可谓一应俱全。

  “拥有这样一个先进的硬件平台,我们不仅要高效使用,做出世界一流的科研成果;也要让其为国内青年科研人才的培养发挥作用,同时加强与国际专家的交流与合作,提高研究所的竞争力。”孙飞说。

  关于生物学研究,孙飞进一步解释说,蛋白质结构生物学研究主要有三大手段:晶体学、核磁共振技术和冷冻电镜三维重构技术。截至目前,国际上利用前两项技术,尤其是利用晶体学方法进行结构研究的研究组较多,在这一领域生物物理所涌现出了多位院士,如梁栋材、常文瑞、王大成和饶子和,都是这一领域中卓有建树的科学家,颇具国际影响力。

  而相比之下,虽然冷冻电镜三维重构技术,在研究蛋白质复合物与分子纳米机器结构功能方面具有巨大优势,由于具有较强的设备依赖性,以它为手段进行结构研究的实验室却相对较少。这也使得这个领域具有巨大发展前景和上升空间。

  据悉,参加活动的知名学者们参观了生物物理所的电镜平台。他们无不为此感到振奋,惊异于中国科技投入的力度和发展速度,不约而同地发出了“世界电子显微学的研究在向东移动”的感叹。