是什么卡了我们的脖子——
我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜
亟待攻克的核心技术
5月29日，清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜。几天后，埃(10-10)级精度的蛋白质“高清3D彩照”将出炉。研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构，并解出生命运转机理。
这期间，冷冻电镜中的电子枪将持续发射电子，每次看一个小单元。为了解释这个“小单元”，杏耀平台张森森为科技日报记者示意了一个“镊子尖”大小的小金片，“金片上约有200个左右的均匀小孔，每个小孔中再分150个小孔，电子束一次只‘看’其中一个小孔。”金片类似蛋白质的“载玻片”，与光学显微镜不同的是，载玻片透光，小金片要透电子，容许电子束透过样品时受到散射。散射信号被捕捉记录下来，计算后可呈现分子结构。
透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。“国内没有一家企业生产透射式电镜。”赛默飞公司技术支持陈宝庆说得不假思索，他毕业于北京大学地球物理专业，对行业非常了解，他介绍，“之前还有几个企业制造，比如原江南光学仪器厂现在就不造了。”
能做到单电子束控制的灯丝，只有进口
“理论上说，只要施加足够强的电场，电子就会从材料中‘游’出来。”陈宝庆说。但“游”的状态与可以使用的电子状态相距甚远。
什么样的电子才能为蛋白质拍摄高清3D彩照呢？东南大学材料科学与工程学院万克树教授描述了理想的状态：速度完全一样的电子，从“源头”的一个点上、非常多地发射出来。
“这些要求是相互矛盾的。”万克树解释，电子从材料表面溢出，要发射电子多，面积就要大，但是面积大了就难以满足一致性要求。
如果把电子枪想象成一把枪，它必须以“狙击”的精度完成机枪的扫射，“子弹”的角度、速度完全一致。
“电子的能量要做到高度一致，虽还达不到激光的程度，但也必须是很窄的分布。”陈宝庆解释，电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提。
为此，电子枪的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”，形似陀螺，尖端却比针还细。电子从尖端出发，在真空的环境下，前去与大分子“相撞”，进而反映出分子构象。
“之前的技术路线是通过加热让电子枪发射电子，发射源(俗称“灯丝”)用钨丝或六硼化镧，需要2500℃左右，高温促使电子发射，但也使电子异常活跃、难以控制，因此热发射电子枪的电镜精度低。”万克树说。
“场发射是通过高压电场，把电子从‘灯丝’里拉出来，室温下可完成。”万克树说，“所用灯丝国内没有生产，全部依赖进口，每根上万美元左右。”
他提到的常温场发射枪(肖特基电子枪)是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上。FEI公司后来在电子枪生产上又有了新的突破，将热和场结合起来，稳定性进一步提升。在清华大学冷冻电镜实验室的仪器介绍中可以看到，一台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电子枪一栏标明“X-FEG”，有中文翻译为超稳定高亮度电子枪。“所用灯丝在材质上与之前的一致，工艺不同能够使亮度更强。”陈宝庆介绍。
上了邮票的科研成就，被中断
场发射的另一个关键部分是牵拉出电子的外加电场，电场电压高达300千伏。“在这样的高压下保持电压稳定，才能‘拉’出稳定一致的电子，专业上称为‘单色性好’。”万克树说。
据题为《中国透射式电子显微镜发展的历程》的文章记载，1963年，我国就开始了高压100kV电子枪稳定因素探讨的实验，1965年完成样机，中国自主研制透射式电镜于1979年达到当时的国际先进水平，还专门为国产的电子显微镜发行过纪念邮票。
该领域的研发却由于种种原因一度中断。“直到几年前，中国也试图重启这方面的公司，也曾立项想要完成场发射透射电镜的自主研发。”陈宝庆回忆，曾经有相关的科研人员，辗转找到他询问，为什么FEI公司没有相关专利。
“他们想到的捷径之一是把生产厂商的专利拿来参考，但是其中很多生产工艺是秘方级别的，根本不会外传。”陈宝庆说。
从“看人影”到“辨雀斑”，中国研发没使上劲
“如今，中国只有一家企业生产扫描电镜，透射电镜完全不生产了。”陈宝庆说，德国蔡司公司也停止了透射电镜的生产，目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家，分别是日本电子、日立、FEI(2016年被赛默飞公司以42亿美元收购。)
本报讯 2014年，人们在马达加斯加最大的海港发现了一种有毒的入侵物种——在亚洲常见的蟾蜍。保护生物学家迅速拉响了警报，警告说该入侵物种可能会摧毁这个非洲岛屿上独特的生物多样性，其中包括狐猴和在世界其他地方找不到的数百种动物。
如今，科学家们已经证实，在马达加斯加，蟾蜍的有毒黏液可能会杀死所有试图吃掉它们的动物，这项研究对当地88个物种的易感性进行了调查。
并未参与该项研究的美国加利福尼亚大学伯克利分校进化生物学家Guinevere Wogan说，
杏耀代理 ，新的发现“强化了这些蟾蜍是主要威胁的观点”。她说，摸清有多少物种是潜在的脆弱物种，“对于如何应对这种生物入侵并拯救生物多样性至关重要”。
蟾蜍通过分泌一种致命毒素来抵御捕食者，这种毒素可能会引发心跳骤停。但是一些蛇、啮齿动物，甚至是刺猬都能够毫发无损地吃掉蟾蜍，这多亏了基因突变从而使毒素变得无害。然而没有人知道，在相对偏远的岛屿上进化而来的马达加斯加岛上的捕食者，是否也发生了类似的变异。
英国威尔士班戈大学的爬虫学家Wolfgang Wuster说：“马达加斯加岛已经被隔离了8000万年到9000万年，并且从来没有过蟾蜍这种生物。”
因此，Wuster和他的同事决定调查马达加斯加岛上的蛇、蜥蜴、青蛙、哺乳动物和鸟类的脱氧核糖核酸（DNA），看看它们是否携带了这种保护性的基因突变。
研究人员发现，只有一种马达加斯加本土物种——被称为白尾蚁昂吉的啮齿动物从遗传学角度而言有能力吃掉蟾蜍。研究小组在6月4日出版的《当代生物学》杂志上报告了这一研究成果。
其他的捕食者缺乏一组具有抗性的基因突变—— 一旦这些狐猴、蛇、蜥蜴和其他本土物种开始以蟾蜍为食，那么它们就会变得非常脆弱。“小的两栖动物是非常容易捕获的猎物。”Wuster说，“没有什么动物会不吃它们。”
迄今为止，这些蟾蜍还没有进入大多数本土物种的势力范围，因为它们只在该岛东北海岸约350公里的狭长地带内被发现。但是，“这些蟾蜍的活动范围正在迅速扩大。”新西兰自然保护部保护生物学家James Reardon说。Reardon说，蟾蜍是多产的繁殖动物，其中一只雌性蟾蜍可以生产数千只卵，而马达加斯加有大量的稻田、水道和排水系统，这些都在帮助它们扩张。“这里是蟾蜍的天堂。”
“这是世界上最具侵略性的两种蟾蜍之一，另一种是臭名昭著的海蟾蜍。”安阿伯市密歇根大学爬虫学家Fred Kraus说，“所以我没有看到任何能够阻止它们的东西……在这一点上，你可能需要花费数百万美元。”
更糟糕的是，马达加斯加岛上的许多本土物种在小块的栖息地上艰难地生存，杏耀代理因为岛上的大部分地区被砍伐殆尽，Wuster说。他补充说，蟾蜍“是那种能真正把它们击倒在地的东西”。
没有市场是设备巨头纷纷放弃透射电镜的原因。“透射电镜之前的清晰度，使得冷冻电镜在科学研发上基本没有实际作用。”陈宝庆说。可以理解为，以前只能看清楚个人影，现在却能辨认清楚脸上的雀斑。
除了电子枪的原理变化，冷冻电镜上其他的技术精进，例如三维重建算法的实现、样品制作机器人的研发成功等，使得冷冻电镜的分辨率大规模提升，成为生命科学研究的利器。
在冷冻电镜从“看人影”到“辨雀斑”的发展历程中，中国没有使上劲。在冷冻电镜实验室中，从耗材到配件都必须进口。“加样台10万元一个、小金片50元一个、外托150元一个……”张森森说，所有匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装，根本不存在“山寨版”。零件坏了找不到人修理，只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说，这样的体验可能还要持续不短的时间。
