冷冻电子显微镜：分子医学与药物设计的新基石

8月20日星期二，开普敦大学（UCT）举办了副校长公开讲座，由诺贝尔奖得主约阿基姆·弗兰克教授主讲。讲座在开普敦大学上校区的新演讲厅（NLT）举行，吸引了来自不同领域的观众，他们通过讲座深入了解了低温电子显微镜（cryo-EM）这一革命性领域。

这是2024年的首场副校长公开讲座。讲座题为“低温电子显微镜：分子医学和药物设计的新基础”，探讨了低温电子显微镜如何改变了生物分子的研究。在开讲介绍演讲嘉宾时，开普敦大学副校长（VC）莫萨·莫沙贝拉教授说：“在开普敦大学，我们电子显微镜部门已经发展了20多年低温电子显微镜能力。”

作为该领域的先驱，弗兰克教授分享了这项尖端技术如何让研究人员能够以前所未有的细节确定分子的结构。他强调了观察溶液中自由悬浮的分子（即“单颗粒”）的能力，为理解细胞内分子相互作用方面的重大进展铺平了道路。

弗兰克详细介绍了低温电子显微镜的过程，该过程涉及将样本浸入液氮温度的冷冻剂中快速冷冻。这种技术固定了分子，从而实现高分辨率成像，同时将电子束造成的损伤降到最低。他着重介绍了新型相机的引入如何进一步提高了分辨率，使得许多具有生物学意义的分子能够以接近原子的精度成像。

低温电子显微镜的应用

讲座还介绍了低温电子显微镜对药物设计，尤其是在生物医学研究领域的深远影响。弗兰克阐述了低温电子显微镜在开发新冠肺炎和其他全球健康挑战疫苗和治疗方法方面所发挥的关键作用。他强调了该技术对我们理解离子通道、受体和其他在抗击疾病中至关重要的分子机器方面的作用。

在介绍致辞中，莫沙贝拉教授讲述了弗兰克作为科学家的历程。他回顾了弗兰克的学术道路，从在弗赖堡大学获得物理学学士学位，到在慕尼黑工业大学攻读博士学位。他随后在美国的博士后经历以及在马克斯普朗克研究所和哥伦比亚大学等著名机构的工作，共同塑造了弗兰克在低温电子显微镜领域的开创性贡献。

弗兰克的工作为他赢得了2017年诺贝尔化学奖，共同获奖者还有雅克·杜波切特和理查德·亨德森。讲座的重点之一是弗兰克的工作，他解释了如何开发计算方法，用于平均和组合使用低强度电子束获得的低质量图像，从而彻底改变了这一领域。这项创新使得以前无法研究的精细分子，如谷氨酰胺合成酶和核糖体（后者于1986年首次实现三维重建）得以可视化。

在讲座中，弗兰克向开普敦大学校友艾伦·克鲁格爵士致敬，克鲁格爵士因发明三维电子显微镜以及绘制染色体复杂结构的工作而于1982年获得诺贝尔化学奖。克鲁格和戴维·德罗斯耶尔的开创性工作推动了显微镜技术的发展，使其成为一个全新的领域。

分子医学的未来

“近几十年来，医学通过利用分子结构的知识而变得非常强大，”弗兰克说，“基于生物分子结构的知识，现在可以开发出药物来治疗许多以前无法治愈的疾病。”

“基于生物分子结构的知识，现在可以开发出药物来治疗许多以前无法治愈的疾病。”

低温电子显微镜的另一重大贡献是推动了新冠肺炎mRNA疫苗的开发。弗兰克说：“在收到病毒基因组序列后的两周内，团队就设计并生产了稳定化的刺突蛋白样本。再花费大约12天时间，就重建了3D原子尺度图谱。这个过程中涉及的许多步骤通常需要数月才能完成。”