理察·韓德森

理查·韓德森，CH，FRS，FMedSci，Hon FRSC（英語：Richard Henderson，1945年7月19日－），蘇格蘭分子生物學家、生物物理學家、英國皇家學會院士。他是低溫電子顯微鏡研究領域的開創者。2017年與雅克·杜巴謝、約阿希姆·法蘭克共同獲得諾貝爾化學獎。

理察·韓德森 Richard Henderson
圖片來源：2017諾貝爾化學獎——用低溫捕獲生命原態的原子細節
出生	(1945-07-19) 1945年7月19日 英國蘇格蘭愛丁堡
國籍	英國
母校	愛丁堡大學（BS） 劍橋大學基督聖體學院（MS，PhD）
機構	分子生物學實驗室
知名於	低溫電子顯微鏡開創者
研究領域	結構生物學，低溫電子顯微鏡
獎項	諾貝爾化學獎（2017）

圖1：圖片來自 2017年諾貝爾化學獎簡介

圖2：圖片來自 2017年諾貝爾化學獎簡介

目錄

主要研究貢獻

源起

• 生物分子的結構到底有什麼重要性？細胞是生命的基本單元，其運作是靠著裡面許許多多的蛋白質機器不斷運轉。了解這些分子機器如何運動，以便能一窺細胞的奧秘，並通過控制或改造這些生物分子，使人類有機會脫離疾病的束縛。
• 如何了解這些分子機器如何運動，最直接的方法就是對這些分子機器攝像。

韓德森：走出結晶學的先知

從X射線晶體學轉換跑道

• 韓德森的博士學位是關於X射線晶體學。他運用X射線晶體學使蛋白質成像，但在試圖結晶一種天然嵌入細胞膜中的蛋白質（稱為膜蛋白）時碰了釘子。

• 膜蛋白是相當難以處理的，當它們從原本環境的細胞膜中移除時，經常會堆積成一團無用的物質。韓德森研究的第一個膜蛋白相當難以製備足夠的量，第二個膜蛋白則是無法結晶。

• 經過多年的挫敗，韓德森決定轉向唯一可行的替代方案：電子顯微鏡。

電子顯微鏡術是否可行？

• 正如其名，電子顯微鏡術運作類似普通的顯微鏡，不過卻是用電子束而非光來穿透樣品。因為電子的波長比可見光小得多，電子顯微鏡能夠看到非常小的結構 – 甚至是個別原子的位置。

• 理論上電子顯微鏡的解析度應該遠高於韓德森用來研究膜蛋白的原子結構所需的解析度，但實際上這個計畫幾乎不可行。原因如下：
  • 這種技術只適用於非活體，因為高解析度影像所需的高強度電子束，會燒毀生物材料。但若減弱電子束的強度，影像則會失去對比度而變得模糊。
  • 電子顯微鏡術需要真空環境，這條件之下生物分子會因周遭水分蒸發而變質。生物分子乾燥之後會折疊並失去原本的結構，使得到的影像失去意義。

菌紫質 拯救了 韓德森的研究計畫'

• 在幾乎失敗時，韓德森 發現可以用特殊蛋白質，菌紫質。菌紫質是一種光合生物體中嵌入細胞膜的紫色蛋白質，用以攫取來自太陽光的能量。

• 並非像先前一樣把敏感的蛋白質從細胞膜分離，韓德森和他的同事直接把整個紫色的細胞膜放到電子顯微鏡底下，這樣被細胞膜包圍的蛋白質會保持原本的結構。他們在樣品表面加上葡萄糖溶液，用來保護蛋白質不在真空底下乾掉。

• 他們並未使用全劑量的電子轟擊，改以較弱的電子束流過樣品。雖然這樣拿到的圖像並沒有很好的對比度，也沒辦法看清個別分子，但這種蛋白質整齊堆疊成相同方向的特性，讓研究人員知道所有蛋白質繞射電子的模式應該幾乎相同，由此他們能夠從繞射圖中計算出更詳細的影像。

• 利用這個方法，在1975年建構了菌紫質結構的粗略3D模型(圖1)，顯示蛋白質鏈是如何在細胞膜內穿越七次。

韓德森得到第一個原子解析度的影像

• 後來，電子顯微鏡的技術逐漸進步，鏡片變得更好，加上冷凍技術的進展，韓德森逐漸在菌紫質的模型中添加更多細節，以便獲得最清晰的影像。

• 終於，在1990年，也就是韓德森發表第一個模型的15年後，他達到了他的目標，並發表了一個解析度到達原子尺度的菌紫質結構(圖2)。

• 韓德森因此證明了低溫電子顯微鏡技術（cryo-EM）可以提供與使用X射線晶體學相同細節的影像，這是個關鍵的里程碑。

獲得諾貝爾化學獎原因

• 了解生物分子的結構到底有什麼重要性？細胞是生命的基本單元，細胞的運作是靠著裡面許許多多的蛋白質機器不斷運轉。了解這些分子機器如何運動，使得人類能一窺細胞的奧秘，並通過控制或改造這些生物分子，使人類有機會脫離疾病的束縛。而如何了解這些分子機器如何運動，最直接的方法就是對這些分子機器攝像。

• 2017年諾貝爾化學獎頒給了看似物理學的低溫電子顯微術領域，卻是屬於結構和分析的化學範疇，代表此領域獲獎的是分別在樣品製備 、影像重組和低劑量電子成像 3 個關鍵有卓越突破的 雅克·杜巴謝（Jacques Dubochet）、約阿希姆·法蘭克（Joachim Frank）以及 理察·韓德森（Richard Henderson），獲獎原因為「發展低溫電子顯微術，可應用於溶液中生物分子的高解析度結構測定」。

物理學家獲2017年諾貝爾化學獎

• 約阿希姆·法蘭克（Joachim Frank）：德裔生物物理學家。
• 理察·韓德森（Richard Henderson）：蘇格蘭分子生物學家和生物物理學家。
• 雅克·杜巴謝（Jacques Dubochet）：瑞士生物物理學家。

視頻

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