李嘉誠周三（16日）致函港大李嘉誠醫學院、中大醫學院、香港科技大學、香港教育大學，指捐資1.7億港元，支持多個醫療及科技項目，包括以1億支持港大李嘉誠醫學院成立「低溫電子顯微設施研究中心」，引進諾貝爾得獎技術「Cryo-EM」。到底諾貝爾得獎技術「Cryo-EM」是甚麼？可如何促進藥物研發及生產呢？

諾貝爾得獎技術「Cryo-EM」

「冷凍電子顯微鏡技術」（Cryo-electron microscopy，Cryo-EM），簡稱「冷凍電鏡」，是2017年獲諾貝爾化學獎的技術。「冷凍電鏡」主要在低溫下使用透射電子顯微鏡，用作探究生物的分子結構，是結構生物學的重要研究方法。在過往，有很長一段時間，科學家不相信電子顯微鏡對蛋白質和其他生物樣品的成像完全有用。事關電子顯微鏡要通過高強度電子劑量，生物樣本也要置放真空環境中，但這樣會破壞原始的生物組織樣本，導致分子變質。如果使用低強度電子劑量的電子顯微鏡，雖然可以減少破壞生物樣本，則會令圖像模糊粗糙。

1975年，科學家韓德森（Richard Henderson）使用葡萄糖溶液來保護細胞膜、避免脫水，但這方法對水溶性生物分子無效。而即使用冷凍樣本方法，因為冰蒸發得較慢，會使電子束受干擾，無法分析影像。

1981年，科學家法蘭克（Joachim Frank）開發了一種數學方法，將電子顯微鏡所得之蛋白質的微弱影像，利用電腦將之與背景區別，產生出更清晰的二維影像，再基於這些訊息建出三維影像。1980年代中期，法蘭克出版了這個影像分析方法，並用它產生出核醣體表面的模型。

1982年，科學家杜波克特（Jacques Dubochet）想到了將水快速冷卻，令水分子以液體的形態固化、形成玻化水（vitrified water） 是流體而非固體，分子呈無序的排列，電子束可平均繞射，產生均勻的背景影像。1984年，杜波克特發表了許多不同病毒的首張影像，圓形和六邊形的高對比病毒影像襯托在玻化水的背景中。

1990年，韓德森運用電子顯微鏡，發表了一個解析度到達原子尺度的菌紫質結構，亦因此證明了cryo-EM可以提供與使用X射線晶體學相同細節的影像，但是個關鍵里程碑。1991年，法蘭克用杜波克特的玻璃化方法製備核醣體，並分析圖像時，影像顯示出核醣體的輪廓，難顯示結構細節。

2013年後，新型的電子顯微鏡大幅提升解析度，從大多為模糊無形狀的一團影像，進化成能以原子級的解析度觀察蛋白質。

促進藥物研發

利用「冷凍電子顯微鏡技術」（cryo-EM）這方法，可以觀察不同病毒的生物分子模型，研究到藥物的發展方向。2016年，寨卡病毒肆虐全球，研究人員利用 cryo-EM 觀察寨卡病毒（Zika）結構，獲得具有原子解析度的病毒三維影像，再尋找結構中潛在的藥物標靶，從而解決這種造成巴西初生嬰兒腦部損傷的流行病。

Source：UCSF、Nobel Prize，台大化學系

Text by MEDICAL INSPIRE 醫‧思維