雷建林

2020年年初肆虐的“新冠肺炎”疫情对人民健康水平和经济发展，都带来极大影响。疫情发生后，解析病毒结构、研发疫苗进展，这些原本“学术味”十足的关键词，也成了普通老百姓十分关心的话题。

2020年6月份，Science杂志发表西湖大学周强团队最新研究成果：他们利用冷冻电镜技术，解析了新冠病毒S蛋白与中和抗体4A8复合物的结构，为靶向S蛋白N端结构域的药物设计和治疗策略提供了基础。该抗体是由陈薇院士团队从新冠肺炎康复病人的免疫细胞中筛选和鉴定的，具有强病毒中和能力。这一结果早在5月份第一时间向全社会公开。此前，周强团队已分别解析了新冠病毒受体ACE2全长蛋白、S蛋白受体结合结构域与ACE2全长蛋白复合物的近原子分辨率三维结构，并第一时间向全社会公开，随后在3月份被Science杂志刊登封面文章报道。值得注意的是，这些结构解析所依托的冷冻电镜数据，全部通过一套自动化系统所采集。

看清病毒结构，为药物设计提供有力帮助，而解密这些结构，则离不开冷冻电镜平台。这项对生命科学、医学、药学乃至物理化学的研究都有重大意义的平台技术，目前在全世界范围内快速增长。带着诸多疑问，记者走访了清华大学生命科学学院研究员、国家蛋白质科学研究（北京）设施清华大学冷冻电镜平台总管、中国冷冻电镜杰出贡献奖获得者，也是上述自动化系统的开发者——雷建林，听他介绍冷冻电镜的“跨界大咖秀”。

冷冻电镜是怎样为生物学研究推波助澜的？

“冷冻电镜技术，顾名思义，就是应用冷冻固定术在低温下使用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）观察样品的显微技术，是一种结构生物学技术。为什么要在冷冻条件下观察呢？这是因为生物样品中的生物大分子不耐辐照且含水，如果直接将溶液上的蛋白放在电镜上观察，会破坏其精细结构。这个时候，可以将生物大分子溶液置于电镜载网上形成非常薄的水膜，吸掉多余溶液后快速冷冻形成一层玻璃态的冰，再放到冷冻电镜上观察。这样做，一方面不会破坏电镜的高真空，另一方面更接近生物大分子的生理状态。”雷建林开门见山地介绍。

回溯历史，冷冻电镜样品制备技术的尝试始于20世纪70年代，至1982年开发出真正成熟可用的快速冷冻制样技术。伴随着的是冷冻电镜各种结构解析技术的日渐成熟，包括电子晶体学、单颗粒分析、电子断层术以及近年发展起来的微晶衍射技术。一直以来，在X射线晶体学、核磁共振和冷冻电镜三大结构生物学手段中，冷冻电镜是最弱的一项，但是已到了万事俱备只欠东风的阶段。具有标志性意义的事件是直接电子探测器成功开发并应用于冷冻电镜。2013年年底，加州大学旧金山分校程亦凡研究组和David Julius研究组合作首次利用直接电子探测器K2相机和冷冻电镜单颗粒技术解析了TRPV1膜蛋白3.4埃近原子分辨率结构。冷冻电镜硬件的突破掀起了结构生物学领域的一场风暴，以往依托传统X射线晶体学长期无法解决的许多重要大分子复合体及膜蛋白的近原子分辨率结构，被各个击破。

2020年5月下旬，冷冻电镜单颗粒技术再次打破分辨率纪录。有两个课题组分别利用冷冻电镜新硬件，如冷场电子枪+能量过滤+新型相机、单色器+新型球差校正装置，将去铁蛋白的结构解析分辨率分别推进到1.2埃和1.25埃，达到真正的单个原子水平。“这无疑会继续将这一风暴延续下去。”雷建林介绍。

雷建林表示，依托冷冻电镜技术的发展，人类对细胞内的生命活动有了更多的了解；而随着冷冻电镜技术的不断发展，假以时日，科学家亦将实现对复杂生命体的更多解读。

冷门学科是怎样实现“从0到1”突破的？

对于雷建林来说，是勤奋和机缘让他一次又一次地把握住了机会，并一以贯之地在材料电镜和冷冻电镜方面不断钻研。而他的学习、工作经历，则是冷冻电镜技术人才培养和平台从“从0到1”筹建历程的典型。

从1989年本科进入武汉大学物理系，到1998年获得武汉大学博士学位，并进入中国科学院物理研究所从事博士后工作，十年寒窗为雷建林打下了坚实的科研基础。

自20世纪90年代中期开始，雷建林就以材料电镜为主要手段开展工作，先后师从王仁卉先生和郭可信先生，开始从事准晶热漫散射的定量电子显微学研究。“王先生渊博的学识和严谨的治学态度，让我受益至今；而转向冷冻电镜领域的研究，则受郭先生影响颇深。”雷建林介绍。