深圳商報2019年1月16日訊 （記者吳吉/文陳錫明/圖）一個(gè)“顯微鏡”有多貴？答案是千萬(wàn)或者上億元。
在南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心一棟普通科研樓里，就藏著(zhù)這些身價(jià)驚人的“大家伙”。這些“寶貝”被精心呵護，嬌貴得甚至容不下一點(diǎn)噪音。與此同時(shí)，科學(xué)家通過(guò)它們，不停地讀取著(zhù)生命科學(xué)、新材料、新能源研究領(lǐng)域中不可或缺的重要密碼。
2018年11月19日，南科大冷凍電鏡中心正式揭牌。全部建成后，這將是我國配套最齊全、最先進(jìn)的冷凍電鏡實(shí)驗室，同時(shí)規模也將躋身世界前三。近日，深圳商報記者走進(jìn)這里，探訪(fǎng)這些表面低調卻內有乾坤的“大顯微鏡”。
6臺機器世界先進(jìn)，還有“獨家定制”
南科大冷凍電鏡中心是深圳市政府出資、南科大牽頭建設的重大基礎科學(xué)設施平臺，旨在支撐深圳市、粵港澳大灣區及中國南方在生物醫藥、精準醫療、新能源、新材料方面的科學(xué)研究及產(chǎn)業(yè)升級。
南科大冷凍電鏡實(shí)驗室擬安裝300千伏冷凍電鏡6臺及其它71臺/套相關(guān)輔助儀器和樣品制備設備。目前，項目一期的2臺300千伏冷凍電子顯微鏡已經(jīng)完成安裝調試，投入使用。據南科大冷凍電鏡實(shí)驗室主任王培毅教授介紹，這6臺設備都是世界上最先進(jìn)的，其中還有一臺是南科大冷凍電鏡中心根據需求“獨家定制”的，可以說(shuō)是“世界唯一”。
2017年諾貝爾化學(xué)獎得主理查德·亨德森曾預言，這里將會(huì )成為全球最大的三個(gè)冷凍電鏡中心之一，未來(lái)的研究能力將會(huì )達到全球的前5%。
在全球范圍，冷凍電鏡近幾年熱度飆升，成為科學(xué)界“兵家必爭之地”。2017年諾貝爾化學(xué)獎頒給了在這個(gè)領(lǐng)域做出貢獻的三位科學(xué)家，更是說(shuō)明冷凍電鏡炙手可熱。那么，究竟什么是冷凍電鏡？王培毅教授告訴記者，冷凍電鏡是電子顯微鏡的一種，它的工作原理和光學(xué)顯微鏡類(lèi)似，也是通過(guò)光與樣品的相互作用而成像。只是冷凍電鏡所用的光源不是人們平時(shí)見(jiàn)到的可見(jiàn)光，而是電子。由于波長(cháng)的限制，可見(jiàn)光的分辨率一般是1500倍以下，而電子的波長(cháng)非常短，大約是普通光波長(cháng)的十萬(wàn)分之一左右，因此冷凍電鏡的分辨率可以達到更高的程度，能夠直接觀(guān)測到蛋白質(zhì)分子一類(lèi)的生物大分子的精細結構。
以生物醫藥領(lǐng)域的應用為例，冷凍電鏡技術(shù)就是“把組成動(dòng)、植物的蛋白用生物學(xué)的方法取出后，以快速冷凍的方式冷凍到液氮溫度（－196度），這樣可以保持蛋白的活性。在這種狀態(tài)下用冷凍電鏡觀(guān)察活蛋白，可以達到零點(diǎn)幾納米的分辨率，由此準確判斷藥物靶標的位置，并根據藥物靶標來(lái)開(kāi)發(fā)新藥?！币驗榭梢浴翱础钡酶?，所以冷凍電鏡技術(shù)在很多領(lǐng)域都被廣泛應用，被視做是材料科學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科基礎研究的利器。
“目前，全國購置的冷凍電鏡有27臺，主要集中在北京、上海等地。我們購買(mǎi)的冷凍電鏡，根據研究的領(lǐng)域不同有所側重，有些偏重于材料科學(xué)，有些偏重于生命科學(xué)。我們定制的那一臺‘世界唯一’的冷凍電鏡，就是希望它能夠在重大疾病的診斷方面發(fā)揮作用?！蓖跖嘁憬淌诟嬖V記者，2019年將是南科大冷凍電鏡中心非常重要的一年，除了定制的那一臺冷凍電鏡外，其他購置的電鏡將陸續到位，安裝、調試后，電鏡中心的工作將在2020年邁上新臺階。
“大家伙”很嬌貴也很辛苦
隔著(zhù)玻璃，記者順著(zhù)王培毅教授的指引，看到了目前已經(jīng)使用的兩臺冷凍電子顯微鏡靜靜矗立。但是，近300平方米的機房?jì)?，卻沒(méi)有工作人員忙碌的身影。
這是為什么？“首先，我們的機房?jì)纫话闶菦](méi)有人的，工作人員的工作都通過(guò)計算機遠程操控完成，只在裝樣品的時(shí)候才進(jìn)入十幾分鐘。另一個(gè)原因是，今天實(shí)驗室內有施工，考慮到施工帶來(lái)的噪音會(huì )影響電鏡工作，所以今天我們不提取數據?！蓖跖嘁憬淌诘慕忉屪層浾叽蟪砸惑@——這些“身材魁梧”的“大家伙”，原來(lái)是一點(diǎn)噪音都會(huì )受影響的“嬌小姐”！
因為冷凍電鏡十分精密，所以對環(huán)境的要求很?chē)揽?。據王培毅教授介紹，為了減少振動(dòng)帶來(lái)的影響，機房的地面厚度約1米，且是獨立建設的，跟周?chē)ㄖ锿耆蛛x，甚至連空調的風(fēng)速都必須嚴格監控。機房?jì)缺仨毥?jīng)過(guò)嚴格的消磁，在里面是沒(méi)有手機信號的。機房?jì)鹊臏囟?、濕度都恒定，溫度變化每小時(shí)不超過(guò)0.2℃。還有一個(gè)房間專(zhuān)門(mén)用來(lái)制作樣品，房間內的濕度保持在20%，因為只有在這樣相對干燥的環(huán)境里才能保證樣品的質(zhì)量。如此小心翼翼地“伺候”，就是為了讓冷凍電鏡更好地運轉、工作。要知道，除了每個(gè)月兩天的維護、保養時(shí)間外，冷凍電鏡可是24小時(shí)連軸轉的。
“冷凍電鏡與普通材料電鏡最大的不同在于，冷凍電鏡的結果是統計結果，需要大數據。普通的材料電鏡，拍一張照片就有結果，但冷凍電鏡需要拍成千上萬(wàn)的照片，然后用統計學(xué)的方法把結果算出來(lái)。這也就說(shuō)明了，為什么一般機構購置冷凍電鏡都需要兩臺以上，因為它要解析一個(gè)樣品，需要幾十個(gè)小時(shí)甚至更長(cháng)的電鏡時(shí)間?！崩鋬鲭婄R的相機靈敏度有多高？王培毅教授打了一個(gè)比方——相當于在幾萬(wàn)公里的高空可以看到桌子上的一瓶水。這些高精度的照片存儲量驚人，“一臺電鏡一天就能采集2T以上的數據量”，而后的數據分析和解讀無(wú)疑也是一項巨大的工程。
期待中國原創(chuàng )靶向藥從這里走出
這幾臺世界先進(jìn)的“大家伙”，究竟能為老百姓帶來(lái)什么？
王培毅表示，在生活水平日益提高的情況下，健康成為人人關(guān)心的焦點(diǎn)。對于深圳而言，下一階段的城市發(fā)展，生物醫藥和健康產(chǎn)業(yè)將是巨大的“增長(cháng)點(diǎn)”。南科大建設世界一流的冷凍電鏡中心，目的就是通過(guò)利用國際最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，發(fā)展基礎科學(xué)研究，聚焦重大疾病診斷、新藥開(kāi)發(fā)、精準醫療、功能材料研發(fā)和基礎學(xué)科建設等領(lǐng)域，促進(jìn)深圳新材料、醫療衛生、健康產(chǎn)業(yè)和高等教育的發(fā)展，同時(shí)積極服務(wù)于國家戰略需求，造福百姓。
盡管冷凍電鏡未來(lái)在許多領(lǐng)域都有很大的應用空間，但在王培毅心目中，冷凍電鏡研究的終極目標還是為了人類(lèi)的健康事業(yè)?！跋胍鉀Q重大的疑難疾病的治療問(wèn)題，就必須要研發(fā)藥物，然而藥物的研發(fā)過(guò)程極其漫長(cháng)，從研發(fā)到上市一般需要歷經(jīng)十年。治療白血病的藥物研發(fā)前后則是經(jīng)歷了近100年。而冷凍電鏡可以通過(guò)低溫冷凍技術(shù)，觀(guān)察活的原始樣本，進(jìn)而用于研究致病機理，例如發(fā)現癌癥的致病機理，從而推動(dòng)癌癥等重大疾病的診斷和治療，極大地縮短制藥的時(shí)間?！蓖跖嘁憬淌谡f(shuō)，自己的最大心愿就是縮短靶向藥物的研發(fā)時(shí)間，助力中國研發(fā)自己的原創(chuàng )藥。
除了生命科學(xué)領(lǐng)域的課題外，目前南科大冷凍電鏡中心的研究重點(diǎn)還有新能源和新型化合物。此外，實(shí)驗室還將積極開(kāi)展多學(xué)科交叉研究，并與學(xué)校已經(jīng)建成的X射線(xiàn)晶體學(xué)平臺、生物質(zhì)譜蛋白質(zhì)組學(xué)分析平臺形成互補，開(kāi)展國際上最前沿的蛋白質(zhì)科學(xué)研究，為結構生物學(xué)、細胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)，化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域搭建交叉學(xué)科平臺。
“各個(gè)學(xué)科對于冷凍電鏡的需求是十分巨大的。目前我們還未全面對外開(kāi)放，但排隊的樣品已經(jīng)排到了春節以后?！边@個(gè)春節，王培毅教授和他的團隊將在忙碌中度過(guò)了……