低溫電子顯微術：從生命的微小細節中看見偉大——2017年諾貝爾化學獎

本文與  益福生醫 合作，泛科學企劃執行

昨晚，你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎？這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾，甚至在腦海中數了幾百隻羊，大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程，讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇：你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠，我們得先認識身體的一套精密防衛系統：下視丘-垂體-腎上腺軸（HPA axis） 。這套系統原本是演化給我們的禮物，讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時，能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動，腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙)，這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性，讓我們在危機中保持清醒 。

然而，現代人的「劍齒虎」不再是野獸，而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說，身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

在理想的狀態下，人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後，身體會進入「修復模式」，此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點，讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素（Melatonin）接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號，它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素（Orexin）神經元，幫助大腦順利關閉覺醒開關。

然而，當壓力介入時，這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出，長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化，使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌，更會讓食慾素在深夜裡持續活化，強迫大腦維持在「高覺醒狀態（Hyperarousal）」。 這種令人崩潰的狀態就是，明明你已經累到不行，但大腦卻像停不下來的發電機！

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升，而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸，分泌更多皮質醇來試圖消炎，高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期（REM），導致睡眠品質變得低弱又破碎，最終形成「壓力－發炎－失眠」的惡行循環。也就是說，你不是在跟睡眠上的意志力作對，而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關：PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局，科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系：腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路，這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」，而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便，更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話，直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」（Psychobiotics）。

在眾多研究菌株中，發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發，累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」（First Night Effect, FNE），也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難，俗稱認床。科學家在進行實驗時發現，補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期（NREM）的睡眠長度，且入睡更快，起床後也更容易清醒。更重要的是，不同於常見的藥物助眠手段（如抗組織胺藥物 DIPH）容易造成快速動眼期（REM）剝奪或導致睡眠破碎化，PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力，它能有效縮短入睡所需的時間，並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現，即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理（Heat-treated），轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」（Postbiotics），其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點，讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中，科學家觀察到一個耐人尋味的現象：當詢問受試者的主觀感受時，往往會遇到強大的「安慰劑效應」，無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人，主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相，讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而，客觀的生理數據（Biomarkers）卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後，實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人（84.6%）出現了夜間褪黑激素分泌增加，且壓力荷爾蒙（皮質醇）顯著下降，這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統，而不僅僅是心理安慰。

最值得關注的是，對於那些失眠指數較高（ISI ≧ 8）的族群，這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後，不僅生理標記改善，連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間，以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌：https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠：構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息，而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠，關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石，始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境，到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統，並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現，身體便能更順暢地啟動睡眠開關，回歸自然的運作節律。

與其將失眠視為意志力的抗爭，不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持，每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始，為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

• 作者／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《電子顯微鏡走進生醫研究的關鍵推手：赫爾穆特・魯斯卡》

1986年的諾貝爾物理學獎頒給了恩斯特‧魯斯卡（Ernst Ruska），以表彰他設計出第一台電子顯微鏡。雖然人們大多關注其理論和技術層面為顯微技術帶來長足的進步，但電子顯微鏡的應用層面，尤其是醫學與生物學的影響，更是為電子顯微鏡實現功能性和商業價值發揮關鍵作用；恩斯特的弟弟赫爾穆特‧魯斯卡（Helmut Ruska）在其中扮演著重要的角色——儘管他並未獲得諾貝爾獎項。

人類對微觀世界的探索，最早可以追溯到17世紀。當時，英國博物學家羅伯特‧虎克（Robert Hooke）利用自製顯微鏡觀察軟木塞，觀察到了植物細胞壁，並稱其為「細胞」（cell）。荷蘭的雷文霍克（Antonie van Leeuwenhoek）以精湛的磨鏡技術，進一步製造出放大倍率更高的顯微鏡，在清澈的水中發現了肉眼見不到的「生物」，成為第一個發現細菌、紅血球和精子的人。

隨後的兩百年間，光學顯微鏡雖然不斷進化成為微生物研究的利器，但始終跨不過繞射極限的門檻，受限於光波長的限制，解析度停留在200奈米。任何比這更小的物體，只能呈現出一個模糊的點。因此儘管人們透過過濾、疾病源頭推論等方法，認為有比細菌更小的「病毒」（Virus）存在，卻無法一睹其真面目。直到電子顯微鏡的出現。

兄弟登山「一起探索未知」

恩斯特和赫爾穆特出生於德國知識份子家庭，他們的父親尤利烏斯．魯斯卡（Julius Ruska）是一位學者，專長是東方語言與文化研究，曾在大學任教。恩斯特生於1906年12月25日，是在家中七個孩子裡排行老五；赫爾穆特則於1908年6月7日出生在海德堡，排行第六。

從小兩兄弟關係就特別親密，也對光學儀器留下了深刻的印象。他們的天文學家馬克斯．沃爾夫（Max Wolf）叔叔便曾多次帶他們參觀他管理的王座山（Königstuhl）天文台的望遠鏡。而他們家裡書房裡，則放著父親的大型蔡司顯微鏡。雖然尤利烏斯有時會展示有趣的事物給孩子們看，但他擔心孩子們笨拙地操作會損壞物鏡或標本，因此嚴令他們禁止觸摸。

隨著恩斯特對於工程學的興趣赴慕尼黑工業大學和柏林工業大學學習電子學；赫爾穆特則於1927年開始學習醫學，先後在柏林、茵斯布魯克（Innsbruck）及海德堡大學就讀。在海德堡，赫爾穆特的學術重心集中在臨床醫學與生物化學，直到1932年完成醫學學位、開始臨床醫學專業生涯。

對新技術的可能性深具信心

如果這些目標得以實現，那麼疾病成因研究的進展對醫生來說將具有直接的實際意義，這一點幾乎無需贅述。它將深刻影響到日益重要的臨床疾病實際問題，進一步對公共衛生產生重大影響。

理查．西貝克

1929年，恩斯特在研究論文中證明，使用短線圈可以獲得電子束照射孔徑的清晰放大影像，並在1931年4月獲得確鑿的證據，證明電子束可以像光學顯微鏡一樣經由二次放大成像。儘管該裝置的總放大倍率非常有限，但如今仍被公認為第一台電子顯微鏡。

但當時恩斯特提出的顯微技術並沒有被認真看待，大多數專家認為這只是癡人說夢。但已快完成醫學學業的赫爾穆特堅信，一旦恩斯特提出的顯微技術成功，臨床醫學、生物這些學科將有長足的進步。因此他鼓勵哥哥繼續克服困難，包括樣品被電子束燒毀的問題。

他們仍然花了三年時間才透過赫爾穆特的前臨床老師、柏林夏里特醫院第一內科主任理查．西貝克（Richard Siebeck）教授的專業評估及推薦，成功獲得資助。這些專業的建議讓柏林的西門子和耶拿的卡爾．蔡司留下深刻的印象，他們都準備進一步發展工業電子顯微鏡。

病毒，終於被看見

1937年西門子在柏林斯潘道（Spandau）成立了超微科學實驗室，魯斯卡兄弟與馮．博里斯共同開發原型儀器。赫爾穆特憑藉醫學專長專注於電子顯微鏡的生物學應用，並在1938年完成了兩台原型機，最大放大倍率為30000倍。1940年，西門子更設立了一個由赫爾穆特領導的客座實驗室，配備了四台電子顯微鏡，供來訪科學家使用；赫爾穆特同年也首次展示了噬菌體的影像。

1940年代初，赫爾穆特已發表了約20篇關於細菌、寄生蟲和不同病毒超顯微結構的報告，這些出版物標誌著首次利用電子顯微鏡對病毒進行視覺化。包括1939年他與考舍（Gustav A. Kausche）和普凡庫赫（Edgar Pfankuch）合著的《超顯微鏡下植物病毒的影像》，展示了菸草花葉病毒的桿狀結構，首次揭示病毒的亞微觀顆粒。

赫爾穆特也研發了電子顯微鏡的樣品製備技術，利用鋨燻蒸法，將乾燥樣本暴露於鋨蒸氣中，選擇性地使細胞染黑，且不會過度改變標本以增強對比度。1943年他發表論文〈病毒類型分類的嘗試〉，基於電子顯微鏡的觀察提出病毒形態分類，例如依形狀（球形、桿狀）及大小分類，影響後來的病毒分類系統。

被戰爭淹沒的科學貢獻

赫爾穆特的研究並不局限於病毒，他還參與了糖原結構和血液凝固過程的研究，甚至昆蟲肌肉的精細結構、蚯蚓的虹彩皮膚以及植物葉綠素也都是他曾經研究的主題。

二戰後，赫爾穆特成為柏林大學（後更名為洪堡大學）的教授，並擔任柏林-布赫德國科學院微觀形態學部門的負責人。1952年至1958年，他至美國擔任紐約州衛生部微觀形態學部門負責人，之後出任德國杜賽道夫大學生物物理與電子顯微鏡研究所長。

可惜的是，儘管赫爾穆特在電子顯微鏡的生物應用領域具有開創性貢獻，但他在科學史上的地位卻被嚴重低估。由於赫爾穆特論文大多發表在德國期刊上，加上納粹和二戰時期德國處於孤立狀態，他的研究成果並未廣為人知。赫爾穆特1973年8月30日在杜賽道夫去世，也因此錯失了與哥哥恩斯特·魯斯卡共同分享諾貝爾獎的機會，後者在1986年才獲得遲來的認可。

但赫爾穆特無疑是推動電子顯微鏡跨出實驗室成為商用顯微鏡，並進入生物醫學研究應用的關鍵人物。而他也培養無數後代研究人員，奠定了電子顯微鏡在生物醫學研究中的重要角色。

參考資料：

• Kruger, D. H., Schneck, P., & Gelderblom, H. R. (2000). Helmut Ruska and the visualisation of viruses. Lancet, 355(9216), 1713–1717.
• Ruska, E. (1986, December 8). The development of the electron microscope and of electron microscopy [Nobel Lecture]. Nobel Foundation.
• Helmut Ruska
• Grokipedia: Helmut Ruska

延伸閱讀：

• 用電子照亮世界──電子顯微鏡如何帶來科學革命(1)
• 用電子照亮世界──電子顯微鏡如何帶來科學革命(2)

文／林宇軒、曹一允、蔡蘊明，合譯於 2017 年 10 月 5 日

• 譯者簡介：林宇軒於台大化學系碩士班畢業，受教於李弘文教授，於瑞典 Umeå 大學做過一年交換學生。曹一允在美國德州農工大學攻讀博士，在 Karen Wooley 教授實驗室進行研究，除翻譯本文外亦負責將其中圖片中文化。蔡蘊明現為台大化學系名譽教授。

將生命捕捉在原子的細節中

Jacques Dubochet （杜波克特）、Joachim Frank （法蘭克）、與Richard Henderson （韓德森）獲得了今年諾貝爾化學桂冠，表彰他們為取得生命分子的三維影像所發展的一種有效方法。運用低溫電子顯微術，研究人員現在能將生物分子凍結在行動中並以原子的尺度描繪之，這種技術將生物化學帶入了一個新的紀元。

過去這幾年，各種生物分子機器令人驚訝的結構充斥在各種科學文獻中（圖2）：沙門氏桿菌（salmonella）攻擊細胞所用的注射針；具有抵抗化學治療及抗生素的蛋白質；控制晝夜節律的蛋白質錯合物；光合作用中捕捉光線的反應錯合物以及一個能讓我們聽見的壓力感測器，這些只是現在用低溫電子顯微術（cryogenic scanning electron microscopy, 簡稱cryo-EM）顯像的數百個生物分子中的幾個例子。

當研究人員開始懷疑茲卡（Zika）病毒是造成巴西新生兒腦部損傷的流行病元凶時，他們利用 cryo-EM 來觀察這個病毒，在幾個月內就得到具有原子解析度的病毒三維影像，使得研究者能開始尋找其結構中潛在的藥物標靶。

杜波克特、法蘭克、與韓德森等人突破性的發現，成就了 cryo-EM 的發展，這個方法帶領生物化學進入了一個新的紀元，讓它比以前更容易捕捉生物分子的影像。

拍出的蛋白質姿態太僵硬–2017諾貝爾化學獎的開端

在 20 世紀前半頁，生物分子—蛋白質、DNA 以及 RNA—仍是生物化學的地圖中一塊未知的新大陸。科學家知道這些分子在細胞內扮演著十分重要的角色，但卻對它們的外觀毫無概念。直到 1950 年代，劍橋大學的科學家們把蛋白質結晶放到 X 射線底下，才能夠第一次看出其波浪和螺旋形的結構。

1980 年代早期，X 射線晶體學與核磁共振譜法（NMR spectroscopy）分別用來研究固體和溶液中的蛋白質。這種技術不只揭示了蛋白質的結構，也暴露了它們如何移動以及與其它分子相互作用。

多虧了這兩種方法，現在我們有包含數千種生物分子模型的資料庫，能夠用於從基礎研究到藥物發展的各個領域。然而，這兩種方法都有其根本上的限制。溶液的核磁共振譜法只適用於比較小的蛋白質，X 射線晶體學則需要分子形成結構整齊的晶體，像是水結成冰一樣，而這些晶體影像就像早期相機取得的黑白肖像—它們僵硬的姿態幾乎無法顯示出蛋白質的動力學。

此外，很多分子無法自行排列形成晶體，這讓韓德森在 1970 年代放棄了使用 X 射線晶體學—這也正是 2017 年諾貝爾化學獎故事的開端。

電子顯微鏡會把生物材料燒毀！但韓德森很幸運？

韓德森的博士學位是在 X 射線晶體學的堡壘—英國劍橋獲得的。他運用X射線晶體學使蛋白質成像，但在試圖結晶一種天然嵌入細胞膜中的蛋白質時碰了釘子。

膜蛋白是相當難以處理的，當它們從原本環境的細胞膜中移除時，經常會堆積成一團無用的物質。韓德森研究的第一個膜蛋白相當難以製備足夠的量，第二個膜蛋白則是無法結晶。經過多年的挫敗，他決定轉向唯一可行的替代方案：電子顯微鏡。

因此，理論上電子顯微鏡的解析度應該遠高於韓德森用來研究膜蛋白的原子結構所需的解析度，但實際上這個計畫幾乎不可行。 1930 年代電子顯微鏡發明時，科學家認為這種技術只適用於非活體，因為高解析度影像所需的高強度電子束，會燒毀生物材料。但若減弱電子束的強度，影像則會失去對比度而變得模糊。

除此之外，電子顯微術需要真空環境，這條件之下生物分子會因周遭水分蒸發而變質。生物分子乾燥之後會折疊並失去原本的結構，使得到的影像失去意義。幾乎種種跡象都表明韓德森會失敗，但這個研究計畫被他選擇的特殊蛋白質「菌紫質」拯救了。

迄今最好的還不夠好！

菌紫質是一種光合生物體中嵌入細胞膜的紫色蛋白質，用以攫取來自太陽光的能量。並非像先前一樣把敏感的蛋白質從細胞膜分離，韓德森和他的同事直接把整個紫色的細胞膜放到電子顯微鏡底下，這樣被細胞膜包圍的蛋白質會保持原本的結構。他們在樣品表面加上葡萄糖溶液，用來保護蛋白質不在真空底下乾掉。

強烈的電子束是一個主要的問題，而其研究人員利用菌紫質分子堆疊在細胞膜中的特性解決了。他們並未使用全劑量的電子轟擊，改以較弱的電子束流過樣品。雖然這樣拿到的圖像並沒有很好的對比度，也沒辦法看清個別分子，但這種蛋白質整齊堆疊成相同方向的特性，讓研究人員知道所有蛋白質繞射電子的模式應該幾乎相同，由此他們能夠從繞射圖中計算出更詳細的影像—類似 X 射線晶體學中使用的數學方法。

下一個階段中，研究人員轉動電子顯微鏡底下的細胞膜，得到許多不同角度的影像。利用這個方法，在 1975 年建構了菌紫質結構的粗略 3D 模型（圖2），顯示蛋白質鏈是如何在細胞膜內穿越七次。

這是當年有史以來用電子顯微鏡得到的蛋白質影像中品質最好的，那 7 埃（0.0000007毫米）的解析度在很多人心目中留下了深刻的印象。不過這對韓德森而言還是不夠，他的目標是能夠達到 X 射線晶體學所能提供的解析度，也就是大約 3 埃，而他堅信電子顯微術還可做得更好。

得到第一個原子解析度的影像

在接下來的幾年，電子顯微術的技術逐漸進步。鏡片變得更好，加上冷凍技術的進展（我們後續會談到），在測量過程中用液態氮冷卻樣品，防止它們被電子束損壞。

韓德森逐漸在菌紫質的模型中添加更多細節。為了獲得最清晰的影像，他尋找著世界上最好的電子顯微鏡。每個電子顯微鏡都有個自的缺點，不過彼此之間有辦法相互補足。終於，在 1990 年，也就是發表第一個模型的 15 年後，韓德森達到了他的目標，並發表了一個解析度到達原子尺度的菌紫質結構（圖6）。

他因此證明了 cryo-EM 可以提供與使用 X 射線晶體學相同細節的影像，這是個關鍵的里程碑。然而，這個進展是建立在一個特殊的情況：蛋白質能夠自然地在膜中整齊堆疊。很少有其它蛋白質以這種方式自發地排列。問題是這種方法可否推廣：能否使用電子顯微鏡從隨機分散在樣品中並以不同方向排列的蛋白質產生高解析度 3D 影像？韓德森相信有辦法做到，然而其他人卻覺得這只是個烏托邦的理想而已。

在大西洋的另一側，美國紐約州衛生署的法蘭克長期以來也一直在尋找解決這個問題的方案。1975 年，他提出了一個理論上的策略，顯微鏡二維圖像中顯然只能得到的少數資訊，可以合併得到三維高解析度的影像。他花了超過 10 年的時間實現了這個想法。

法蘭克去蕪存菁的影像分析法

法蘭克的策略（圖7）是將電子顯微鏡所得方位紊亂之蛋白質的微弱影像，利用電腦將之與背景區別開來。他開發了一種數學方法，使電腦能夠辨識出影像中不同的重複圖形。接著，電腦將相似的圖形分類到同一組，並將這些圖形中的訊息合併，產生出平均的、更清晰的影像。藉由這個方法，他得到了一些同種蛋白質但從不同角度照出來的高解析度二維影像。該軟體的演算法於 1981 年完成。

下一步，是在數學上確定不同的二維影像如何彼此相關，並且基於這些訊息建立出三維影像。法蘭克在 1980 年代中期出版了這個部分的影像分析方法，並用它產生出核醣體表面的模型，那是細胞內製造蛋白質的巨大分子機械。

法蘭克的影像處理方法是 cryo-EM 的重要發展。現在讓我們跳回到幾年前—在 1978 年，當法蘭克將電腦程式優化得更完美的同時，杜波克特被招募到了海德堡的歐洲分子生物學實驗室，以解決另一個電子顯微鏡的基本問題：生物樣品暴露於真空時，是如何乾燥與損壞的。

杜波克特將水變成玻璃

1975 年，韓德森使用葡萄糖溶液來保護細胞膜以避免脫水，但是這種方法對水溶性生物分子無效。其他研究人員試圖冷凍樣品，因為冰比水蒸發得慢，不過冰晶會使電子束受到嚴重干擾，使得影像無法分析。

水的汽化是一個主要的難題，然而，杜波克特想到了一個可能的方法：快速將水冷卻，使水分子以液體的形態固化，形成玻璃而不是晶體。玻璃看起來是固體材料，但實際上卻是一種流體，因為它的分子呈現無序的排列。杜波克特意識到，如果他能夠將水形成玻璃—也稱為玻化水（vitrified water）—電子束將平均地繞射，並產生均勻的背景影像。

一開始，研究團隊試圖在液氮中 -196 °C 下將微小水滴玻璃化，但只有當他們改用被液態氮冷卻的乙烷時，實驗才會成功。在顯微鏡下，他們看見了一個過去不曾見過的滴狀物，他們起初認為是乙烷，但是當溫度稍微升高時，分子突然重新排列，形成了一個熟悉的冰晶結構。這可說是一大勝利—特別是有些研究人員曾斷言不可能使水滴玻璃化。我們現在相信，玻化水是宇宙中最常見的水之結構。

一種求取對比的簡單技術

1982 年的突破之後，杜波克特的研究小組迅速開發出了目前仍用於低溫電子顯微鏡的技術基礎（圖8）。他們將生物樣品—最初是不同形式的病毒—溶解在水中，然後將溶液以薄膜的形式鋪展在細金屬網目上。他們使用一種似弓的裝置將金屬網目射入液態乙烷中，使薄膜中的水玻璃化。

1984 年，杜波克特發表了許多不同病毒的第一張影像，圓形和六邊形的高對比病毒影像襯托在玻化水的背景中。用於電子顯微鏡的生物材料樣品現在可以更容易地製備了，研究人員們趕快敲著杜波克特的大門來學習新技術。

從「團塊學」到高清的無碼影像

至此，cryo-EM 最重要的一塊拼圖已經到位，但影像解析度仍然很差。1991 年，當法蘭克用杜波克特的玻璃化方法製備核醣體並用自己的軟體分析圖像時，他獲得了一個空間解析度為  40 埃的三維結構。這對電子顯微術來說，是一個驚人的進步，但影像只能顯示核醣體的輪廓。坦白說，它看起來像一群團塊，影像遠遠比不上 X 射線晶體學的原子級解析度。

由於 cryp-EM 除了看到不平坦的表面之外，很少能將結構細節顯像出來，所以該方法有時被戲稱為「團塊學（blobology）」。然而，電子顯微鏡的每個螺帽和螺絲逐漸被優化，這最主要是由於韓德森固執地保持其遠見：電子顯微鏡將有一天能例行地提供顯示到單個原子層次的影像。解析度一個埃一個埃往前拓展，最終在 2013 年使用了一種新型的電子探測器，克服了最後的技術障礙（圖9）。這些進步有賴下列的一些發展：訊號偵測器的進步，導致訊號／雜訊比例以及空間解析度的大幅提升；電子槍的改進；新式相位板有助於相位處理；數據收集的自動化；影像處理技術的改進以及電腦程式的開發。

細胞中任何隱藏的角落皆可探索

現在夢想已經實現，我們正面對著生物化學中爆炸性的發展。使得 cryo-EM 之所以如此的具有革命性是因為它的許多優點：杜波克特的玻化方法容易使用並且只需微量的樣品，由於其快速冷卻的方式，生物分子能在行動中被凍結，使得研究者能捕捉到反應過程中一系列的影像，如此他們能取得暴露出蛋白質如何行動並與其它分子作用的「影片」。

運用cryo-EM也使得我們遠較以往更容易描繪膜蛋白，它們常扮演藥物的標靶角色以及形成巨大的分子錯合物。不過小分子無法用電子顯微術來研究，但它們可運用核磁共振譜法或 X-射線晶體學來顯像。

在法蘭克於 1975 年提出其廣泛影像處理方法的對策之後，一位研究者寫道：「如果這個方法能完美化，那麼就如同一位科學家所說的，只有天空才會是我們的極限（任何事情都是可能的）」。

現在我們已經到了那兒—天空的極限。透過杜波克特、法蘭克、與韓德森等人的研究，帶來了「人類最大的利益」。每一個細胞的角落均可捕捉到原子層次的細節，而生物化學已經準備好迎接一個精彩的未來。

• 本文轉載自蔡蘊明老師 諾貝爾化學獎專題系列，原文為《2017年諾貝爾獎簡介》。
• 本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿，原文在官方網站。
• 若有興趣閱讀進階的資料，可以由此獲得。