年诺贝尔化学奖.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,2017,年度诺贝尔化学奖,冷冻电镜技术,PPT,制作：,云南大学生命科学学院,2017,级研究生,The Nobel Prize in Chemistry 2017,Jacques Dubochet,Joachim Frank,Richard Henderson,for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution,.,1,科学背景,结构生物学,冷冻电镜,cryo-EM,核磁共振,NMR,X,射线晶体学,X-ray,crystallography,科技创新驱动学科发展,2,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,3,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,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,5,1968,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,Robert 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,6,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 Henderson,7,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 Frank,8,重要贡献,：在真空环境下使生物分子保持自然形状,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 Dubochet,9,冷冻电镜技术,样品冷冻,冷冻成像,三维重构,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,10,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。

11,2013,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,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,12,（,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,2015,年,8,月,21,日，,施一公,团队在,科学,（,Science,）,同时发表了,两篇,研究长文，,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,=CNS,14,人源剪接体与酵母剪接体的比较,2017,年,5,月,12,日，,细胞,（,Cell,）,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,=CNS,15,诺奖级助手终获诺奖,特点,：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,16,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,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17,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,18,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,19,样品,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,20,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,21,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,22,时间,获奖技术,获奖人,2017,冷冻电子显微镜,Jacques Dubochet,Joachim Frank and Richard Henderson,2014,超分辨荧光显微技术,Eric Betzig,Stefan W.Hell and William E.Moerner,2002,核磁共振光谱学确定大分子三维结构,Kurt W,thrich,1999,飞秒光谱,Ahmed H.Zewail,1993,PCR,Kary B.Mullis,1991,高分辨率核磁共振,(NMR),光谱学,Richard R.Ernst,1982,晶体电子显微镜,Aaron Klug,1964,x-,射线技术研究生物化学的物质的结构,Dorothy Crowfoot Hodgkin,1960,carbon-14,技术,Willard Frank Libby,1959,极谱分析方法,Jaroslav Heyrovsky,1948,电泳和吸附分析,Kaurin Tiselius,1936,气体中 X 射线和电子的衍射,Petrus(Peter)Josephus,1931,化学高压方法,Carl Bosch and Friedrich Bergius,1923,有机物质的微量分析方法,Fritz Pregl,1922,质谱仪,同位素,Francis William Aston,附表：化学奖,23,时间,获奖技术,获奖人,2017,LIGO,探测器,Rainer Weiss,Barry C.Barish and Kip S.Thorne,2013,大型强子对撞机,Fran,ois Englert and Peter W.Higgs,2009,通信光纤传输,Charles Kuen Kao,2005,激光精密光谱学,John L.Hall and Theodor W.H,nsch,2000,用于高速和光电电子的半导体,Zhores I.Alferov and Herbert Kroemer,1994,中子衍射技术,Bertram N.Brockhouse,1992,微粒探测器,Georges Charpak,1986,扫描隧道显微镜,Gerd Binnig and Heinrich Rohrer,1980,高分辨率电子光谱学,Kai M.Siegbahn,1964,基于脉泽,-,激光原理的振荡器和放大器,Charles Hard Townes,Nicolay Gennadiyevich Basov and Aleksandr Mikhailovich Prokhorov,1924,X,射线光谱学,Karl Manne Georg Siegbahn,1909,无线电报,Guglielmo Marconi and Karl Ferdinand Braun,1907,光学精密仪器,Albert Abraham Michelson,附表：物理奖,24,。