冷冻电镜热潮背后
冷冻电镜热潮背后
冷冻电镜像是天平的基座，过去十年间，天平两边的砝码越来越重，天平也越做越大。这座天平称量的，其实是中国科研体系的现状
Thermo Scientific Titan Krios.
Photo: Rodrigo Capote/Bloomberg
首次见 300 千伏的冷冻电镜，普通人不会相信这是一台「显微镜」。它身上没有任何圆柱形的镜筒，也没有旋钮、管线和开关，只是一个四四方方、黑白相间、又高又壮的柜子，看上去颇有几分工业设计的规整美感。
新冠疫情以来，冷冻电镜在病毒研究领域大显身手。仅 2020 年 2 月就有美国得克萨斯大学奥斯汀分校、美国国立卫生研究院、西湖大学、清华大学等的研究团队用它看清了病毒。他们解析出了新冠病毒 S (刺突) 蛋白、受体结合结构域 (RBD) 与人受体蛋白 ACE2 的冷冻电镜晶体结构，相关研究发表在国际顶级期刊《自然》和《科学》上。其中，西湖大学周强团队的论文还登上了《科学》当期的封面，可谓成果斐然。
冷冻电镜是冷冻电子显微技术 (Cryo-EM) 的一种俗称。它通过透射电子显微镜对冷冻固定在玻璃态冰中的生物大分子进行成像，然后应用计算机对图像进行处理和计算，进而重构生物大分子的三维结构。透射电子显微镜是由电子束来充当显微镜的「光」，经高压电场加速后，透过样品成像。电压越高，电子束的波长越短，电镜的分辨率就越高。因此，冷冻电镜的规格也按最高电压区分，一般分为 300 千伏、200 千伏、120 千伏三档。最高电压越高，技术难度就越大，价格也越贵。
3 月 11 日，上海科技大学以 5000 万元预算公开招标一套 300 千伏冷冻电镜，型号为赛默飞世尔 (ThermoFisher) 科技公司 (下称赛默飞) 最新一代的高端电镜 Titan Krios G4。4 月 3 日，招标成功，延续了中国冷冻电镜的「购买热」。到 2020 年，全国已安装或已采购并预计年底前安装的 300 千伏冷冻电镜就超过 40 台，相对低端的 200 千伏和 120 千伏电镜数量更多。而此前 2009 年，清华大学安装了国内第一台高端冷冻电镜，到 2014 年，全国 300 千伏的冷冻电镜只有 5 台，其中高端的 Krios 型号只有 3 台。
购置冷冻电镜是一件「烧钱」的事。以近两年国内采购最多的赛默飞 Titan Krios G3i 型号为例，一套中标价就在 4000 万元以上，而一套冷冻电镜平台的标准配置 (含一台 300 千伏、一台 200 千伏、一台 120 千伏、一台冷冻双束电子显微镜、各类配套设施)，常常耗资超过 1 亿元。
然而，昂贵的冷冻电镜却正在中国趋势性地下沉铺开。高端冷冻电镜引进之初，只有清华大学、北京大学、中国科学院引入，此后相继走进浙江大学、上海交通大学、复旦大学等传统强校。而近两年来，冷冻电镜开始往三个方向下沉：一是财力雄厚又亟待发展的新兴高校，比如南方科技大学、上海科技大学和西湖大学；二是相对弱势的地方科研机构，比如湖北大学省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室和青岛海洋科学与技术试点国家实验室；还有创业公司也投身其中，准备搏一搏冷冻电镜的商业前景。
数量上去之后，能不能把冷冻电镜用好，成了很多学者的担忧。中国冷冻电镜先行者、中科院院士隋森芳对财新记者表示，中国冷冻电镜数量的增速相比美国欧洲不算过分，但基础太薄，人才培养并没有跟上，「比如，美国引入 50 台，都是高端的 PI (学术带头人) 在 control (操控)，但我们 30 台，可能还有的没有竞争力很强的人才。」
冷冻电镜扮演的角色像是天平的基座，一头是大量的财力和人力投入，一头是极具诱惑的论文产出及背后的社会收益。过去十年间，天平两边的砝码都越来越重，使得天平本身越做越大。而这座天平称量的，其实是中国科研体系的积弊。
三个关键年
一般来说，结构生物学研究有三大技术——冷冻电镜技术、X 射线晶体学技术和核磁共振技术。长期以来，由于结构解析分辨率一直很低，冷冻电镜无法和后两者相提并论，学界当时颇多嘲笑，称其为「blobology」，即只能看到一堆轮廓的技术。「一直到 2007 年前后，中国搞冷冻电镜的也就四家，清华大学、中山大学和中科院生物物理所，后来又来一个北京大学。」隋森芳说。
1989 年，隋森芳回国后开始着手冷冻电镜的研究工作，见证了中国冷冻电镜发展的全过程。他回忆，很长时间他都没有自己的电镜，门下的学生要在北京、兰州甚至美国加州到处跑去借设备、拍图像、收数据。实验室里第一台冷冻制样的装置还是学生自己做的，「用一个秤砣自由落体装置快速地把样品砸下去，砸到液氮冷却的有机溶剂里，把水做成玻璃状冰。」
说起当时中国冷冻电镜技术的弱势，「他们 (做 X 射线的) 并不觉得你电镜是属于结构生物学，我们是不入流的。」 隋森芳说。申请项目也很困难，资金压力很大，「生物系他们都知道，隋老师又快没钱了」。
上海科技大学研究员沈庆涛 2004 年—2009 年在清华大学攻读博士，师从隋森芳做冷冻电镜的研究。 「(当时中国) 基本属于蛰伏期，只有少数几个实验室在开展相关研究工作。面对主流的 X 射线晶体学技术，我们并不确定冷冻电镜能否在未来一鸣惊人。」 他说。
但国外当时已是山雨欲来的态势，冷冻电镜已经在部分病毒和二维蛋白晶体上推进到原子级分辨率，还发展出了能看到细胞原位状态的电子断层技术。与 X 射线晶体学技术和核磁共振技术相比，冷冻电镜因具有不需要结晶体、更接近样品原生理状态、可以研究动态结构等优势，被很多人看好。
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