2017年11月27日

2017諾貝爾化學獎——用低溫捕獲生命原態的原子細節

章為皓/中研院化學所副研究員,致力臺灣低溫電顯平台之建立。


理察·韓德森(Richard Henderson, 1945~)
國籍|英國
現任|劍橋MRC 分子生物實驗室
研究領域|結構生物學

姚阿幸·法蘭克(右三)(Joachim Frank, 1940~)
國籍|德國、美國
現任|哥倫比亞大學生物物理學教授
研究領域|結構生物學、蛋白質生物合成


雅克·杜巴謝(Jacques Dubochet, 1942~)
國籍|瑞士
現任|洛桑大學生物物理學教授
研究領域|結構生物學

現代化學的核心是關於物質的研究,因此,諾貝爾化學獎不外乎在合成、結構和分析方法3 個領域來回振盪。今(2017)年,化學獎頒給了看似物理學的低溫電子顯微術領域,卻是屬於結構和分析的化學範疇,代表此領域獲獎的是分別在樣品製備 、影像重組和低劑量電子成像3 個關鍵有卓越突破的杜巴謝(Jacques Dubochet)、法蘭克(Joachim Frank)以及韓德森(Richard Henderson),獲獎原因為「發展低溫電子顯微術,可應用於溶液中生物分子的高解析度結構測定」。了解生物分子的結構到底有什麼重要性?細胞是生命的基本單元,細胞
的運作是靠著裡面許許多多的蛋白質機器不斷運轉。了解這些分子機器如何運動,使得人類能一窺細胞的奧秘,並通過控制或改造這些生物分子,使人類有機會脫離疾病的束縛。而如何了解這些分子機器如何運動,最直接的方法就是對這些分子機器攝像。

這樣的夢想因為英國醫學研究中心的比魯茲(Max Perutz)在1950 年代初解決X 射線蛋白質晶體繞射圖的相位問題而實現。從1980~2000 年間,由於同步輻射、大面積相機和結構測定軟體分享網絡的興起,X 射線蛋白質晶體學逐漸成為結構生物學的主流工具,許多大分子的晶體結構紛紛被解出,最有名的為光合作用中心、ATP 合成酶、鉀離子通道、核醣核酸聚合酶和核醣體的原子結構,囊括了5 次諾貝爾化學獎,而其中有3 次是被英國醫學研究中心的研究員或校友抱走。然而,嚴格來說,晶體結構與能表徵生理功能的溶液結構還是不同。如今,通過杜巴謝等人發展的「電子照妖鏡」,科學家終於能在茲卡病毒(Zika virus)甫一出現之際,不需用結晶學就能破解球殼蛋白的原子圖譜,為藥物設計提供精確藍圖。本文將分別對韓德森、杜巴謝和法蘭克的研究做深度報導。




韓德森:走出結晶學的先知
韓德森在低溫電顯的關鍵貢獻是引入低劑量欠焦電子成像法。筆者有幸在1993 年於加州大學柏克萊求學時巧遇韓德森,便先從韓德森談起。時年48歲的他,為人謙和卻又風趣健談。通過韓德森的工作,我了解到若要藉電子顯微鏡獲得蛋白質的原子結構,需透過二維結晶提供大量同位相的分子以供平均而提升訊噪比。韓德森於1975~1990 年發展出一套電子結晶學的標準程序,我的博士論文便是純化一個轉錄複合物並長出一個轉錄複合物的二維晶體,靠著韓德森方法分析出三維結構。為什麼說二維結晶是必要的?其實電子顯微鏡的工藝早在30年前已臻完美,是材料科學家用來看見金屬原子的利器,然而,一旦把金屬材料換成蛋白質,影像的清晰度有如飛蚊症患者看到眼球上的半透明小點,這是由於蛋白質對電子束極為敏感,攝像需用極低劑量的電子(每平方埃10~20 電子),造成所得單一分子的影像中的原子細節盡埋於噪音之中,二維晶體可用來把原子細節的訊號疊加而勝過噪音。

在跨入電顯這一行之前,韓德森師事X 射線晶體繞射大師布洛(David Blow),在1969 年取得博士學位後,旋赴耶魯大學,打算用X 射線結晶學解決膜蛋白結構。礙於純化膜蛋白和長出其三維晶體在當時屬於超級困難的挑戰,韓德森回到英國加入英國醫學研究中心,由克里克(Francis Crick,1962 年醫學獎得主)和克盧格(Aaron Klug,1982 年化學獎得主)共同領導的團隊,當時組裡好手如雲,有狄羅基爾(David DeRosier)、克勞德(Tony Crowther)、芬區(John Finch)和昂溫(Nigel Unwin)。狄羅基爾和克勞德長於三維重建,芬區和昂溫則擅長於電子顯微鏡攝像。韓德森基於1974 年和葛萊瑟(Glaeser)與其學生泰勒(Taylor)用電子繞射對電子束引起輻射傷害的首度觀察,與昂溫合作開發低劑量電子顯微術,在1975 年得到紫質蛋白的三維結構(7Å),觀察到紫質蛋白的7 次穿膜,穿膜區的二級結構是α螺旋(alpha helix)。

雖然這個工作所獲得的是被保存在糖水中乾燥後的紫質蛋白,可能與生理態有些差異,但總算是人類第一次看到膜蛋白膜中的結構,排除膜蛋白在膜中的二級結構可能是無序的猜測。然而,韓德森向筆者透露這個工作算是克盧格所領導的,不會再得諾貝爾獎。韓德森再接再厲,在1990 年終於把紫質蛋白的三維結構推進到3.5 埃(Å),建出紫質蛋白的原子模型(PDB model)。可惜的是,先前一個更複雜的膜蛋白「光合作用中心」的原子模型在5年前已率先被解出,抱走了1988 年的諾貝爾化學獎。韓德森又再一次錯過諾貝爾獎。

受了2 次重大挫折,韓德森問了一個更深刻的問題:......【更多內容請閱讀科學月刊第576期】

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