外行看热闹，内行看门道：从低温冷冻电镜的近热看创新

2015.05.03

外行看热闹

前两年听说低温冷冻电镜在测量蛋白质结构方面有大的突破，分辨率已经可以和最好的X射线晶体结构测定不相上下，而且不用再辛辛苦苦培养蛋白晶体，很可能近期会有人得诺贝尔奖之类。

维基百科上关于Cryo-EM的介绍链接：http://en.wikipedia.org/wiki/Cryo-electron_microscopy

因为研究领域不同，我对低温冷冻电镜（Cryo Electron Microscopy, Cryo-EM）完全是外行。常言道，外行看热闹，内行看门道。作为不合格的外行，我一直连热闹都没来得及去看。

几个月前偶然在实验室听美国Baylor医学院（Baylor College of Medicine）华裔教授Wah Chiu有关Cryo-EM病毒结构测量的报告，我才想起来去年夏天回北京中关村中科院物理所开超快光谱会的时候，有天晚上去清华大学和几个做生物学研究的几个海龟朋友聊天吃饭之后，去参观了一下清华最先进的Cryo-EM实验室，正好碰见大名鼎鼎的施一公教授在亲自学习如何操作Cryo-EM获取蛋白结构的整个流程。

Baylor医学院Wah Chiu教授网页链接：https://www.bcm.edu/people/view/b279d3f6-ffed-11e2-be68-080027880ca6

施一公当时对我说：鸿飞，抱歉今天没由来和你们一起吃饭。我平时东跑西跑，今天下午正好有整个大半天的时间，所以就来实验室学习Cryo-EM的具体操作和图像处理。现在Cryo-EM在蛋白结构测量上面越来越重要，我早就说要自己亲自把整个集体实验过程走一遍，不然的话我无法了解和帮助学生在做Cryo-EM实验和数据处理中间的具体问题。颜宁说你后天就回去，下次有时间我们或许可以多聊聊，记住向丹红问好。

我跟施一公并不太熟，如果大家闹哄哄地在一起吃饭，估计也没有什么好交谈的。我对他说：不用客气。做研究最重要，你先忙。

Wah Chiu教授报告主要是概述性的东西，看起来好像很厉害的样子。他的报告中没有太多研究细节，于是我就边听边用手机发信问颜宁是否知道Wah Chiu这个人，知不知道他的中文名，以及他的研究究竟怎么样。之后我又用手机在网上查了一下他的简历，发现他于2012年当选了美国科学院的院士，应该也不是等闲之辈。

听完报告之后看到颜宁回信说：老先生的名字叫做赵华，最近在清华做过报告，他的研究水平还不错。不过最近大家猜低温电镜领域近来的革命性突破应该能够得诺贝尔奖，但能够获奖的人应该是Joachim Frank和Richard Henderson，以及可能还有一个叫Glaeser的老先生。

我看了一下她回信的时间，大概是北京时间凌晨两点。无语。

内行看门道

我虽然对于Cryo-EM是外行，但是对于科学领域的发展过程大概是怎么回事应该还算有较多的了解。

听完报告后，我根据颜宁提供的信息去查看Richard Henderson，Joachim Frank以及Glaeser等人究竟是何方神圣。发现Richard Henderson是剑桥大学MRC分子生物学实验室的主任；Jochim Frank1972年在Robert M. Glaeser的UC Berkeley 研究组做博士后；而Wah Chiu于1975年从Robert M. Glaeser组获得博士学位。这帮家伙早在四十多年前的1970年代初就开始折腾低温电镜的大分子和蛋白质成像了。

化学家谱（Chemistry Tree）中Richard henderson信息链接：http://academictree.org/chemistry/tree.php?pid=71705

化学家谱（Chemistry Tree）中Jochim Frank信息链接：http://academictree.org/chemistry/tree.php?pid=82484

化学家谱（Chemistry Tree）中Robert M. Glaeser信息链接：http://academictree.org/chemistry/tree.php?pid=81601

Richard Henderson是苏格兰人，爱丁堡大学获得物理学位后，于1969年在剑桥大学分子生物学实验室获得博士学位，在美国耶鲁大学做过博士后研究之后，于1973年回到剑桥大学至今。

Joachim Frank原来是德国人，1970年在慕尼黑技术大学获得博士学位之后，在美国游学两年多，然后在剑桥大学卡文迪许实验室做研究助理，1975年任职于美国纽约州Albany的公共卫生实验室（Wadsworth Center），2008年加入哥伦比亚大学生命科学系。

Robert M. Glaeser于1964年获得UC Berkeley的生物物理学博士学位，并在牛津大学和芝加哥大学从事量子化学的博士后研究，之后回到UC Berkeley做教授和退休教授至今。

Cryo-EM领域在过去四十多年里面的发展和逐渐成熟当然并不只包括Richard Henderson， Joachim Frank和Robert M.Glaeser三个小组的贡献。近期在探测器和图像处理方面更是取得了突破，使得分辨率达到X射线晶体学的水平。没有阅读更多资料之前，我也无法知道是否他们三人就一定是对该领域的贡献最大。不管如何，这是一个发展了四十多年才逐渐成熟的学科，并不是一朝一夕就取得的成功，因此了解其基本的发展过程和源流应该能够给我们了解和思考学科发展的规律有所启发和帮助。

在搜索相关信息的过程中，我在2007年12月的美国国家科学院院刊（PNAS）找到一篇Joachim Frank当年当选美国科学院院士之后的采访介绍（Profile of Joechim Frank）. 这篇介绍中讲述了Frank的科学生涯和致力于低温电镜技术发展以及推动其在生命科学中应用的过程。看过之后觉得很有意思，值得在这里复述一下。

美国国家科学院院刊PNAS上关于Jochim Frank的介绍Profile of Joachim Frank链接：http://www.pnas.org/content/104/50/19668.full

Joachim Frank的科学旅程

Profile of Joachim Frank文章的开头写道：

If you were to look at Joachim Frank's recent papers, you might think he had spent his entire career studying how the ribosome converts mRNA into protein. On that subject alone he has enough publications in Nature and Science to span several careers. But in fact, Frank was introduced to the ribosome only after he had become one of the world's foremost experts in digital image analysis and electron microscopy. For his contributions to these fields, and to our understanding of the ribosome-one of the molecular machines that makes life as we know it possible-Frank was inducted into the National Academy of Sciences in 2007. （试译：如果看看Joachim Frank最近的论文，你可能会以为他的整个职业生涯都在研究ribosome如何将mRNA核糖体转换成蛋白质。尽在这个领域他已经在Science和Nature杂志上发表了足够好几辈子的论文。但事实上，Frank只是在成为世界上最重要的数字图像分析和电子显微镜专家之后才进入ribosome领域的研究。因为在这些领域的贡献，以及对ribosome这个使得我们所知的生命成为可能的分子机器的理解，Frank在2007年进入美国国家科学院。）

注： Frank当选美国国家科学院院士是2006年院士年会，正式加入美国国家科学院入院仪式是在2007年的院士年会。

文章接着介绍，Frank先在德国Freiburg大学（University of Freiburg）学习物理学，之后进入Munich大学（University of Munich）攻读硕士学位，研究内容为熔点下的金的电子衍射。通过这些研究，他产生了用电子衍射研究分子结构的想法，于是进入慕尼黑的蛋白和皮革马普研究所（Max Planck Institute for Eggwhite and Leather）跟X射线晶体学家Walter Hoppe攻读博士学位。有意思的是这个蛋白研究所是真正的蛋白或蛋清（eggwhite），而不是所谓的蛋白质（protein）。这个研究所后来并入了生物化学马普所（Max Planck Institute for Biochemistry）。在博士论文期间他接触了电子显微镜，发表了关于如何校正和准直图像的概念和方法，论文发表在德语的光学（Optik）杂志上。

1970年Frank获得博士学位后获得了Harkness奖学金。凭该项资助他到任何一个美国实验室从事两年的访问研究。他到美国的第一站，是美国航空航天局（NASA）在加州理工大学的喷气动力实验室（Jet Propulsion Laboratory-JPL）。尽管JPL不是做电子显微成像的地方，但他选择JPL的目的，是去学习那里最先进的图像处理技术（image processing）。JPL之后他去了UC Berkeley的Robert Glaeser实验室，Glaeser是研究Cryo-EM的先驱。在Berkeley六个月之后他又去了纽约Albany的康奈尔大学显微成像实验室，然后他就会德国去找全职工作。因为没能在德国找到全职工作，他只好再到英国剑桥大学卡文迪许实验室去做研究助理，期限两年。

在剑桥大学期间，Frank从事的是电子光学（electron optics）的研究。通过他在Berkeley进行的生物样品的测量，他相信大的蛋白质的图像只能通过图像平均的方法获得。于是他开始计算能够获得足够精确度的用于图像校准和获得有用信息的最低电子剂量。通过这些工作，他推导出了关于图像对比度、分辨率和电子剂量的基本方程式。他说：“（通过计算）我们相信对于一定大小的分子，这将能行。那确实是所有事情的根子上的最基本的方程。”1975年他还在剑桥大学的时候，他收到了纽约州Albany的公共卫生实验室（Wadsworth Center）的邀请去担任研究科学家（reserach scientist）。他说他或的这一工作的原因是因为他在Berkeley的时候写的一篇综述文章使得人们较早时候就将他的名字和电子显微技术和图像处理联系在了一起。

在此之后，Frank在Albany工作了30年，在那里他发展了Cryo-EM的单粒子图像重构方法（single-particle reconstruction approach）并且将其应用到ribosome的研究中。1986年纽约州立大学Albany分校成立公共卫生学院（School of Public Health），Frank成为该学院的教授。他于2006年当选为美国国家科学院生命科学领域的院士，并于2008年成为哥伦比亚大学生命科学系教授。

Joachim Frank科学生涯之有趣之处

Frank的科学生涯中让我比较感兴趣的事儿有两件。

第一是他在博士毕业之后能够获得资助而比较自由地在美国最好的几个实验室游学两年。在此期间他首先选择到JPL去学习图像处理技术，这是非常有远见的选择。灵活的跨学科的学术支持对于年轻人的训练和成长很有帮助。美国和欧洲发达国家之间的这种政府或者基金会资助的比较灵活和自由的各种层次上的学术交流和往来，从19世纪末和20世纪初以来就一直未有间断。中国1949年之后这样的交流几乎完全中断了将近三十年，在改革开放以来有所恢复，但是在灵活性和自由选择方面应该说还很有待促进和加强。

第二是他在英国做研究助理时获得纽约州Albany的公共卫生实验室（Wadsworth Center）的邀请去担任研究科学家，并且一直在那里从事基础性的前沿研究工作三十多年。我对Wadsworth Center不太了解，但从其性质和定位来讲是一个面向公共卫生应用相关的公共研究机构。不知道国内的地方性的公共实验室什么时候能够有这种机会，能够允许自己的研究科学家在从事应用相关的研究的时候，还能从事基础性的前沿研究。

Wadsworth Center网站链接：http://www.wadsworth.org/docs/mission.shtml

人们常常说国内的科研体制缺乏研究自由。其实以我多年的研究经验来看，国内的基础性的研究机构和大学常常是在研究定位上过于自由，缺乏清楚明确的研究目标和定位，同时应用性的研究机构又非常缺乏人事、资助方式和研究方向上的灵活性，而且不同的研究机构之间比较缺少互动。这样导致的结果常常是基础研究中培养的人才不仅质量不够高，而且还比较缺乏研究目标和解决实际科学问题的兴趣；而应用研究中培养的人才比较缺乏学术和研究水准，对于实际应用研究中能够提炼出来的基础和重要的科学问题缺乏认识和感觉。要改变这种状况，需要必要的研究体系，使研究机构和主管单位自身在目标定位、资助方式、学术与人才交流等方面在具有较为明确的定位的同时还具有足够的开放性与充分的灵活性。这些问题说来话长，解决起来也并非那么容易。但如果不能改善，每年政府和社会投入的教育和研究经费，其效果自然会被大打折扣。

这些问题在Frank的经历中可以说是不存在的。

不用晶体的晶体学（Crystallography without crystals）

据专家说，蛋白质和大分子晶体学的前沿是不用晶体的晶体学。

按照Weill Cornell Medical College的神经科学教授Greg Petsko于2014年在美国化学会化学与工程新闻（C&EN News）纪念X射线晶体学发展100周年的题为《不用晶体的晶体学》（Crystallography without crystals）文章中的介绍，Cryo-EM是蛋白质晶体学研究中的一大颠覆性技术，这一颠覆性技术已经带来了非常重要的突破。而蛋白质晶体学领域的另一个正在发展的颠覆性技术则是建立在自由电子激光（free-electron laser）技术上的超快X射线晶体学。这两种技术之所以具有颠覆性，正是因为他们是不用晶体的晶体学。

美国化学会C&EN上Crystallography without crystals文章链接：http://cen.xraycrystals.org/essay-on-the-future-of-crystallography.html

正是由于了解Cryo-EM技术的逐渐成熟使其已经成为蛋白质晶体学研究中的颠覆性技术，施一公才在几年前就开始带领他在清华的结构生物学研究组迅速地进入这一领域，现在已经取得了不错的成绩。能够迅速利用新的研究工具进入新的研究领域，这对于提高国内科学研究水平本身很重要。从长远来看，国内科学研究水平的提高，应该还需要有能够产生更为原创性的研究工作，比如说，类似于Cryo-EM这样的颠覆性技术工作，的环境与机制。

技术和方法的领先

近代科学前沿的发展，多数情况下是研究方法和研究技术的发展。新的方法和研究技术，不仅包括新的概念，而更为重要的是新的研究技术和工具。在此基础上，新的应用和研究新问题才成为可能。

1986年诺贝尔化学奖获得者杜德利·赫希巴赫（Dudley Herschbach）在回顾他自己的科学生涯的文章中（Annu. Rev. Phys. Chem., 51，1-39，2000.）有这样一段话：

In his book Imagined Worlds, Freeman Dyson asserts that newdirections in science are launched by new tools much more often than by new concepts. He says, “The effect of a concept-driven revolution is to explain old things in new ways. The effect of a tool-driven revolution is to discover new things that have to be explained.” I would add that new tools or methods often emerge from a symbiotic interaction of old tools and concepts in fresh combinations.That is a good reason for young scientists to learn something about the historical development of their field. （试译：（理论物理学家）Freeman Dyson在他的Imagined Worlds一书中宣称，科学中新的方向更多地是由新的科学研究工具而不是由新的概念所带来的。他说“由概念所推动的革命是用新的方式解释已有的事物，而由工具所推动的革命则是去发现必须得到解释的新的事物”。我需要补充的是新的工具或者方法是通过旧的工具和方法以崭新的方式共生相互作用而产生的。这正是年轻科学家去了解自己领域的历史发展的好的理由。

Dyson在Imagined Worlds一书中是这样说的（Freeman Dyson,Imagined Worlds, Harvard UniversityPress,1997. pp.49-50.）：

There are two kinds of scientific revolutions, those driven by new tools and those driven by new concepts. Thomas Kuhn in his famous book, The Structure of Scientific Revolutions, talked almost exclusively about concepts and hardly at all about tools. His idea of a scientific revolution is based on a single example, the revolution in theoretical physics that occurred in the 1920s with the advent of quantum mechanics. This was a prime example of a concept-driven revolution. Kuhn's book was so brilliantly written that it became an instant classic. It misled a whole generation of students and historians of science into believing that all scientific revolutions are concept driven. The concept driven revolutions are the ones that attract the most attention and have the greatest impact on the public awareness of science, but in fact they are comparatively rare. In the last 500 years, in addition to the quantum mechanical revolution that Kuhn took as his model, we have had six major concept driven revolutions, associated with the names of Copernicus, Newton, Darwin, Maxwell, Freud, and Einstein. During the same period there have been about twenty tool-driven revolutions, not so impressive to the general public but of equal importance to the progress of science. Two prime examples of tool-driven revolutions are the Galilean revolution resulting from the use of the telescope in astronomy, and the Crick-Watson revolution resulting from the use of X ray diffraction to determine the structure of big molecules in biology.

The effect of a concept-driven revolution is to explain old things in new ways. The effect of a tool-driven revolution is to discover new things that have to be explained. In almost every branch of science, and especially in biology and astronomy, there has been a preponderance of tool-driven revolutions. We have been more successful in discovering new things than in explaining old ones. In recent times my own field of physics has had great success in creating new tools that have started revolutions in biology and astronomy. Physics has been less successful in creating new concepts with which to understand its own discoveries.

（试译：科学革命分两种，即那些由新工具驱动和由新概念驱动的科学革命。托马斯·库恩在其名著《科学革命的结构》中谈到几乎全是有关概念带来的革命，而对工具带来的革命鲜有提及。他的科学革命的想法仅基于一个简单的例子，即发生在20世纪20年代与量子力学的出现所带来的理论物理的革命。这是一个概念驱动的革命的最显著的例子。库恩的书写得很精彩并且很快成为经典。但它误导了整整一代学习科学的学生和科学史家去相信似乎所有的科学革命都是概念驱动的。这个概念驱动的革命吸引了最多的关注并且对公众的科学意识影响巨大，但实际上概念驱动的科学革命相对来说（在历史上）是比较少见的。在过去500年，除了被库恩当作模型的量子力学革命，有六大概念推动的科学革命，这些科学革命与哥白尼，牛顿，达尔文，麦克斯韦，弗洛伊德和爱因斯坦的名字联系在一起。而在在同一时期也出现了大概二十个由工具驱动的革命，但对一般公众来讲它们不是那么令人印象深刻。工具驱动的两个典型的例子是在天文观测中使用望远镜所导致的伽利略革命，以及由使用X射线衍射确定生物大分子结构带来的克里克-沃森革命。

概念驱动的革命的效果是以新的方式解释旧的事物。工具驱动的革命的效果是发现新的必须被解释的事物。几乎在科学每一个分支，尤其是在生物学和天文学领域，工具驱动的革命一直是在数量上占优。我们在发现新的事物上总是比在解释旧的事物更为成功。近来在我自己从事的物理学领域也一直在创造在生物学和天文学带来革命的新工具上取得更为巨大的成功。物理学在发展新概念来了解自己领域的新发现方面的成功要少得多。）

Cryo-EM技术和工具的发展，正是应验了Dyson上面的说法。研究工具推动的科学革命，需要具有颠覆性的新技术的出现。

另外，新的技术和工具的发展，离不开灵活与自由的工业和技术产业的发展，同时也会促进高技术产业的发展。据说用于Cryo-EM的高分辨和快速成像的探测器就需要百万美元上下。在Cryo-EM的应用推广过程中，昂贵的Cryo-EM仪器和软件，本身就会形成重要的高技术产业。在发达国家，高技术产业和科学前沿的发展常常是紧密结合并进的。这正是中国和其它发展中国家的短板。

龟兔赛跑

从我自己的研究经验谈来讲，发展新的仪器和技术，才有机会在相关研究领域中取得领先。

我们过去几年在美国西北太平洋国家实验室发展的亚波数分辨率的宽带和频振动光谱仪，在七八年前就和美国相干激光公司科研激光部门来回讨论定下了技术方案。我们这套仪器从2009底开始搭建，2011年开始出数据，将光谱分辨率在之前的仪器基础上提高了将近20倍。然后我们在过去三四年中陆续发表一系列的论文，一方面发展理论原理和系统的数据分析方法，另一方面探索在不同领域的全新的应用。到目前为止，世界上还没有第二个实验室能够获得同样的数据（也许快了）。

也许不少人在等待我们用新的仪器把相对重要的问题都翻一遍再准备跟进，如果是这样，当他们弄到经费再建好仪器开始获得数据并开展研究，大概已经快到2020年了。

最近从新闻上听说原来的东家中国科学院在推行所谓“率先行动”。“率先行动”究竟怎么个“率先”法，我不在其中，自然不知其味。不管怎么说，要真能率先，俺肯定是支持的。

不然的话，跟在兔子屁股后面的乌龟，除了拖住兔子的后腿，或者期待兔子在途中打瞌睡，还能有些啥想法呢？

注：几个月前就在考虑就这个问题写点什么，现在才拉拉杂杂地写了这些。感谢大学同学林文斌教授在一次微信聊天的时候提到上面Greg Petsko在C&EN News上的评论。