隨着蛋白質摺疊、扭曲，蛋白質不同的部分就會暴露於最外層，呈現出不同的化學特性。 網上圖片上次和大家分享了一個近期的技術進步：如何有效地利用陽光的能量去從水中生產出氫氣，希望這個技術能夠為人類在短期內開發到充足的綠色能源。技術進步的方向，自然五花八門，尤其是在更清楚察看微細粒子的這個方面，近數十年有極大的發展。今天就和大家討論一下一個可以用來清楚觀察蛋白質的技術：低溫電子顯微技術（cryogenic electron microscopy，簡稱cryo-EM）。
看清各種形狀 結構就是功能
我們常說「眼見為實（seeing is believing）」，起初聽來好像過於依賴我們的視覺，不過就算在看起來不應太受制於視覺的科學裏，能夠把事物看清楚，其實也是十分有用。例如倘若能夠清楚看到化學反應是如何發生、當中不同的粒子是如何參與化學反應，這些知識一定能夠大大提升我們對化學反應的理解。在蛋白質的研究裏，能夠弄清楚各種各樣蛋白質的形狀，其實也是十分重要，行內人甚至有「結構就是功能（structure is function）」的說法。
這是因為蛋白質本身是極長、極巨大的化學物質，但是隨着蛋白質以不同的形式摺疊、扭曲，蛋白質不同的部分就會暴露於最外層，因此會呈現出不同的化學特性。與此同時，我們也要留意蛋白質對人體的重要：控制我們身體內部運作的荷爾蒙、加速各種生化反應的酶，其實都是蛋白質。能夠深入了解蛋白質形狀與功用之間的關係，更容許我們利用形狀去造出不同功能的藥物，為大眾帶來更好的醫療。
蛋白質難結晶 低溫X光拍攝
長久以來，科學家們一直傾向使用X光晶體技術（X-ray crystallography）去分析化學物質的形狀。顧名思義，我們要使用這種技術，首先要將相關的物料製成晶體，然後再利用X光去觀察它們。憑藉X光經過這些晶體之後展示的「圖案」，科學家們就可以推斷出化學物質的形狀。上世紀五十年代著名女科學家富蘭克林（Rosalind Franklin）就是運用這個技術，找出了DNA雙螺旋結構的重要線索。
可惜的是，要複雜的化學物質結晶，原來並不容易，而一些蛋白質更是出了名極難結成晶體。在上世紀七十年代，英國科學家亨德森（Richard Henderson）和烏溫（Nigel Unwin）就因此利用電子顯微鏡的技術，嘗試去找出一些蛋白質的結構。到了上世紀八十年代，瑞士科學家杜巴謝（Jacques Dubochet）和他的團隊研究出利用液態乙烷（ethane）將蛋白質迅速冷凍，固定它們的形態，以便更容易利用電子去找出它們的結構。這些低溫的液態乙烷，為這個方法帶來「低溫電子顯微技術」的名字。
不過，這些用電子為蛋白質「拍攝的照片」，一般來說都比較模糊。同一時期，德國裔的弗蘭克（Joachim Frank）開發出相關的電腦軟件去處理這些平面的照片，利用它們去建構出蛋白質原來在立體世界的形狀。這一連串的努力，在1990年為我們帶來了用低溫電子顯微技術得到的高解像度蛋白質照片，在這些照片中，我們甚至可以分辨出蛋白質中不同的原子。這些努力，更為亨德森、杜巴謝和弗蘭克帶來2017年的諾貝爾化學獎。
上月底，英國劍橋大學及德國馬克斯．普朗克生物物理化學研究所分別發表最新的成果，表示用低溫電子顯微技術已經可以達到接近十分之一納米的解像度，甚至可以將蛋白質中的氫原子與附近水中的氫原子分辨出來。希望這樣高的解像度，能夠讓我們更快理解蛋白質的秘密。■張文彥 香港大學理學院講師
短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。
