文｜動脈網(wǎng)
在網(wǎng)絡(luò)上時常能看見“冷凍電鏡+清華大學=CNS”（Cell+Nature+Science，三大頂刊）的公式。這是在暗諷施一公從國外買回冷凍電鏡后，接連在頂級期刊上發(fā)表論文。
這種說法更多是出于嫉妒，設(shè)備與人之間是相輔相成的，就像我們承認高科技跑鞋對運動員的幫助，但我們依然會把贊頌送給博爾特這樣的運動員而非跑鞋。
不只是施一公，作為我國冷凍電鏡的先行者，中國科學院院士隋森芳參與建設(shè)的清華大學冷凍電鏡平臺已成為世界上水平最高的冷凍電鏡平臺之一。隋森芳取得了一系列具有國際影響力的科研成果，即便年過七旬，依然奮戰(zhàn)在科研前線。2017年，為表彰其在中國冷凍電鏡領(lǐng)域的貢獻，隋森芳被授予中國冷凍電鏡終身成就獎。
由此可以看出冷凍電鏡這個儀器本身的重要性。目前，全世界只有美國賽默飛、日電和日立能生產(chǎn)，國內(nèi)仿造都仿不出來，就連低端的掃描電鏡，國產(chǎn)份額也不足10%。
冷凍電鏡改變了什么
學術(shù)差距會因為科學儀器而拉開嗎？
答案是肯定的，截至2017年的諾貝爾獎自然科學獲獎項目中，因發(fā)明科學儀器而獲獎的占11%。其中72%的物理學獎、81%的化學獎和95%的生理學或醫(yī)學獎都是借助尖端科學儀器來完成的。
回到冷凍電鏡本身，它是近年來生物學里比較熱門的技術(shù)之一，是電子顯微鏡的一種。簡單來說，就是能把樣品速凍后進行觀察，這樣干擾更小精度更高。它是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要工具，一經(jīng)問世就成了科研人員的最佳拍檔。
蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，生命活動本質(zhì)上都是蛋白質(zhì)功能的體現(xiàn)，為了了解蛋白質(zhì)的功能，從而解開生命的奧秘，就必須先了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，然而這并不容易。
蛋白質(zhì)這種大分子直徑長不過100nm并且相鄰原子間距不超過1nm，而可見光的最短波長也有380nm，也就是說，無論是人眼還是一般的光學顯微鏡都無法看清蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。在冷凍電鏡之前，科研人員采用X射線射擊分子樣品，得到衍射照片，通過照片來分析大分子的微觀結(jié)構(gòu)。
這種方式有個前提條件是需要樣品分子能夠結(jié)晶，形成穩(wěn)定的有序晶體。而蛋白質(zhì)大分子由于分子鏈太長，非常容易扭曲纏結(jié)，因而難以結(jié)晶。因此，不需要結(jié)晶就能拍照的電鏡應(yīng)運而生。可是大分子又因為布朗運動難以固定，所以有科學家想到了用低溫冷凍的方式固定大分子，進行拍照。拍到的照片經(jīng)過電腦處理，得出大分子的3D模型。
從冷凍電鏡誕生至今，使用此技術(shù)解析出的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)超過一萬種，這些成果極大地推動了生命科學的進步，同時也為很多疫苗和藥物的研發(fā)提供了幫助。例如近幾年投入使用的多款新冠疫苗，之所以能夠如此快速地研發(fā)，離不開科研人員利用冷凍電鏡解析出新冠S蛋白結(jié)構(gòu)，從而提升了疫苗開發(fā)的針對性。
冷凍電鏡的價值還未完全展現(xiàn)
隨著冷凍電鏡技術(shù)的持續(xù)進化，在藥物發(fā)現(xiàn)和研發(fā)方面的應(yīng)用將進一步打開。
冷凍電鏡技術(shù)對于基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計有著重要的幫助。對于藥物研發(fā)人員來說，了解靶點的3D結(jié)構(gòu)信息，可以快速建立化合物的構(gòu)效關(guān)系。靶點的選取和結(jié)構(gòu)解析直接決定了藥物開發(fā)的成敗。
以經(jīng)典的GPCR蛋白家族為例，GPCR即G蛋白偶聯(lián)受體，是一大類膜蛋白受體的統(tǒng)稱。廣泛分布在人體內(nèi)，功能復(fù)雜，與多種疾病的發(fā)生和進展過程都有所關(guān)聯(lián)。目前FDA批準的藥物中有超過30%是以GPCR蛋白為靶向。
傳統(tǒng)的X射線衍射方式解析GPCR蛋白的結(jié)構(gòu)非常困難，在結(jié)晶過程中GPCR蛋白容易發(fā)生突變。而冷凍電鏡可以直接用來解析經(jīng)過處理后在生化上性質(zhì)穩(wěn)定的膜蛋白，并獲得處于或者接近生理狀態(tài)的蛋白結(jié)構(gòu)。冷凍電鏡在解析龐雜的膜蛋白結(jié)構(gòu)的能力更加突出，并且已有大量的高分辨率結(jié)構(gòu)被成功解析。
冷凍電鏡正在為越來越多的難結(jié)晶、甚至不可結(jié)晶的靶點進行解析，如分子量更大、更動態(tài)的蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復(fù)合物。此外，冷凍電鏡技術(shù)在開發(fā)抗體療法、小分子藥物和診斷方面的應(yīng)用將會越來越多。
不僅僅是生物學，冷凍電鏡的廣泛應(yīng)用才剛開始。
冷凍電鏡作為結(jié)構(gòu)生物學的科研工具，終極目標是了解生命的本質(zhì)以及藥物的發(fā)展，但在生物學之外，冷凍電鏡未來還將在材料科學等諸多領(lǐng)域展示自身價值。目前，國內(nèi)外高校的冷凍電鏡在滿足生命科學研究的前提下，積極探索其在其他學科的發(fā)展應(yīng)用。
早在2017年，斯坦福大學的研究團隊就利用冷凍電鏡對電池材料進行觀察，掀起了冷凍電鏡應(yīng)用在材料學研究中的浪潮。鋰枝晶是鋰電池中最大的安全隱患，但鋰元素非常活潑、對環(huán)境敏感的特質(zhì)使得從原子層面解析鋰枝晶的生長機理成為一個極具挑戰(zhàn)的課題。
受到冷凍電鏡觀察敏感生物材料的啟發(fā)，研究團隊使用冷凍電鏡技術(shù)首次獲得了鋰枝晶原子分辨率級別的結(jié)構(gòu)圖像，還原了鋰金屬在溫和環(huán)境下的結(jié)構(gòu)，證明了冷凍電鏡技術(shù)可以有效地對脆弱、不穩(wěn)定的電池材料進行高分辨率表征，并且保持它們在真實電池中的原始狀態(tài)。
斯坦福大學的研究團隊總結(jié)了近年來冷凍電鏡技術(shù)在材料和納米科學中的應(yīng)用進展，發(fā)現(xiàn)隨著冷凍電鏡技術(shù)的日臻進步，在電池、聚合物、金屬有機骨架、鈣鈦礦太陽能電池、電催化劑、量子材料等多個領(lǐng)域中長期懸而未決的問題，都能通過冷凍電鏡技術(shù)來解答。
作為一種低信號源激發(fā)測試技術(shù)，冷凍電鏡技術(shù)在一些對電子束、熱敏感材料，如鈣鈦礦材料、高分子材料、量子點等精細結(jié)構(gòu)的物理表征與機理研究中也具有巨大的應(yīng)用潛力。隨著硬件設(shè)備與算法的改進，這項引領(lǐng)結(jié)構(gòu)生物化學研究邁入新紀元的技術(shù)，未來必定擁有更加廣闊的應(yīng)用前景，甚至成為材料和納米科學研究中的基礎(chǔ)工具。
市場需求旺盛
據(jù)發(fā)改委統(tǒng)計的2016年~2019年國內(nèi)200萬元以上科學儀器的采購數(shù)據(jù)，在光學顯微鏡領(lǐng)域，國產(chǎn)化率為0%；在電子顯微鏡領(lǐng)域，國產(chǎn)化率僅為4.42%。其他科學儀器如X射線類儀器（1.49%）、質(zhì)譜類儀器（1.19%）、光譜-色譜（0.24%）。
這些數(shù)據(jù)說明了一個現(xiàn)實，多種高端科學儀器基本被國外品牌所壟斷，有著極高的“卡脖子”風險。
2016年~2019年國內(nèi)200萬元以上科學儀器的采購統(tǒng)計，數(shù)據(jù)源于發(fā)改委
然而，需求是實打?qū)嵈嬖诘?。隨著全球?qū)ι茖W、材料研究的探索和研究持續(xù)深入，國內(nèi)眾多高校、科研院所、半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诶鋬鲭婄R的需求日益增長。
從中國政府采購網(wǎng)搜索近幾年冷凍電鏡的中標數(shù)據(jù)可以清晰地看到，賽默飛的中標率極高，產(chǎn)品主要為200kV和300kV冷凍電鏡。從中標數(shù)量來看，300kV產(chǎn)品的需求更加旺盛，因為300kV機型是進行結(jié)構(gòu)分析的核心機型，而200kV產(chǎn)品通常用于樣品中等分辨率解析和冷凍樣品篩選，與300kV產(chǎn)品配套使用。
從采購單位來看，包括復(fù)旦大學、河南大學、北大醫(yī)學部、山東第一醫(yī)科大學、浙江大學、華中科技大學、武漢大學、中國疾控中心、中科院物理研究所、中科院化學研究所等高校和科研院所都是采購的主力。賽默飛的300kV Krios G4、200kV Glacios是中標最多的產(chǎn)品。
不僅是冷凍電鏡本身，它還帶動了周邊產(chǎn)品和服務(wù)市場。比如實驗室改造，像復(fù)旦大學冷凍電鏡平臺建設(shè)工程、四川大學冷凍電鏡平臺項目中標金額都超過千萬元。由于冷凍電鏡會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，因此還需配套建設(shè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，復(fù)旦大學、南方科技大學、清華大學的相關(guān)項目中標金額都超過2000萬元。
僅看2022年的數(shù)據(jù)，國內(nèi)中標17套冷凍電鏡，賽默飛再次包攬，總中標金額超7億元。除了廣州實驗室和山東第一醫(yī)科大學分別采購了3套和2套300kV產(chǎn)品外，其他采購單位皆為200kV和300kV配套采購。此外，還有華中科技大學生物冷凍電鏡平臺這樣的打包采購方案，總金額近1.3億元。
早在上世紀90年代初，美國商業(yè)部國家標準局發(fā)表過一份報告：儀器儀表工業(yè)總產(chǎn)值只占工業(yè)總產(chǎn)值的4%，但它對國民經(jīng)濟的影響達到66%。儀器行業(yè)，體量雖然不大，卻有著“四兩撥千斤”的效果?？茖W儀器是科學研究的基礎(chǔ)工具，也是科技成果創(chuàng)新的重要形式，還是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。
這樣重要的領(lǐng)域，需要國貨盡快突圍。
國產(chǎn)替代尚需時日
如此重要的一個科學儀器，國產(chǎn)品牌的話語權(quán)約等于零。
以冷凍電鏡為代表的科學儀器，被稱為科學家的“眼睛”，是高端制造業(yè)皇冠上的明珠，然而這個市場卻被海外品牌所壟斷。
據(jù)科技日報報道，近乎99%的科學儀器類電子顯微鏡市場份額被全球五家公司所占據(jù)。2020年，這類產(chǎn)品的全球市場銷售規(guī)模約為35億美金左右，其中國內(nèi)市場約為60億元人民幣，可即使是最頭部的國內(nèi)公司，也只能從這塊蛋糕中分走1%~2%的份額。這種規(guī)模的營收甚至還不足以覆蓋研發(fā)上的投入。
科學儀器的研發(fā)是場馬拉松，跨國公司已經(jīng)起跑了很久，國內(nèi)企業(yè)尚在熱身階段，追趕難度巨大。
冷凍電鏡技術(shù)從上世紀80年代出現(xiàn)到如今已走過40余年的發(fā)展路程。而我國從2009年清華大學開始發(fā)展冷凍電鏡的應(yīng)用研究，購入亞洲首臺冷凍電鏡，到2018年南方科技大學總投資3.93億元成立冷凍電鏡中心，再到2021年國內(nèi)采購冷凍電鏡10套，2022年采購17套。國內(nèi)眾多高校與科研機構(gòu)引進高端冷凍電鏡用于科研不過10余年，相關(guān)人才稀缺，更談不上國產(chǎn)化了。
目前，冷凍電鏡的核心零部件、設(shè)備整機、配套設(shè)備，分析軟件和電鏡數(shù)據(jù)庫，幾乎全部依賴進口。相關(guān)從業(yè)人員都是在進口設(shè)備搭建的“空中樓閣”上做研究，一旦被卡脖子，相關(guān)工作就不得不停滯。
從技術(shù)發(fā)展而言，300kV和200kV產(chǎn)品技術(shù)門檻較高，而100kV或120kV產(chǎn)品打破了對于高電壓的需求，電鏡整體價格得以控制在300kV產(chǎn)品的十分之一，盡管產(chǎn)品性能稍遜，但亦可滿足大部分的應(yīng)用需求，六七百萬的價格也比動輒六七千萬的高端產(chǎn)品更容易普及。目前，國內(nèi)已有團隊針對此類產(chǎn)品進行研發(fā)。
從市場角度而言，商業(yè)化的冷凍電鏡服務(wù)平臺或?qū)⒌玫搅己玫陌l(fā)展空間。如同20年前，人類第一組全基因組測序花費了30億美元，而20年后的今天只需花費500美元。電鏡的發(fā)展也將經(jīng)歷類似的效率革命。
雖然包括冷凍電鏡在內(nèi)的電子顯微鏡有95%的產(chǎn)品都是進口，但已有企業(yè)著手研究其中核心零部件的國產(chǎn)化。如大束科技近年來自主研發(fā)了一系列電鏡核心零部件，尤其針對部分消耗型部件做到了國產(chǎn)化，例如液態(tài)鎵離子源、電子槍離子槍配件、光闌等。在最極端的情況下，即使在國內(nèi)已經(jīng)安裝的進口電鏡原廠家不再提供配件，相關(guān)產(chǎn)品也能保障這些進口電鏡正常運行。在整機層面，也有聚束科技這樣世界上少數(shù)幾家能夠獨立設(shè)計和生產(chǎn)高端場發(fā)射電子顯微鏡整套系統(tǒng)的公司，但整體營收規(guī)模尚顯弱小。
如何破局？
不僅僅是電子顯微鏡，在整個科學儀器層面，我國都處于落后局面。
在全球Top20的儀器廠家中，8家來自美國，5家來自日本，德國和瑞士各有3家，還有1家英國企業(yè)，沒有一家中國企業(yè)入選。儀器是認識世界的工具，是科學家洞察世界奧秘的一大助力，也是研發(fā)人員開發(fā)新產(chǎn)品的重要武器。
從科研人員的角度，只要資金允許，用同行都認可的進口品牌儀器和設(shè)備更加省心，留給國產(chǎn)儀器的空間自然不大，不用就沒有反饋、沒有反饋就無法迭代，不能迭代產(chǎn)品力自然下降，產(chǎn)品力下降后用的人就更少，惡性循環(huán)就此產(chǎn)生。
以科學儀器中的重要分支實驗室分析儀器為例，全球?qū)嶒灧治鰞x器行業(yè)大約有700億美金的規(guī)模，而中國市場總量僅占全球的7%，約為400億人民幣的規(guī)模。這個市場又被近20種不同類別的儀器所占據(jù)，其中體量較大的質(zhì)譜儀也不過100億規(guī)模。國產(chǎn)產(chǎn)品還需要與賽默飛、丹納赫、島津等品牌競爭，如果企業(yè)只做其中一種產(chǎn)品，可能很難發(fā)展壯大。
數(shù)量多、規(guī)模小、基礎(chǔ)薄是國內(nèi)儀器企業(yè)的普遍生態(tài)，但最近10余年，行業(yè)也在變化，民營企業(yè)增多，海歸人才創(chuàng)業(yè)增多，也有一批企業(yè)跑出來。如總部位于合肥的國儀量子，做的是量子精密測量儀器，發(fā)布了中國首臺商用脈沖式電子順磁共振（EPR）波譜儀，且具有自主研發(fā)實力和專業(yè)的服務(wù)支持體系。清華大學某實驗室使用的進口波譜儀出現(xiàn)故障。若返回原廠維修，耗時長，花費大，于是實驗室嘗試聯(lián)系國儀量子，僅用4個工作日，就解決了故障，比返回原廠維修，節(jié)約了近一個月的時間。
國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展要找到自己的優(yōu)勢，搞清楚市場需要什么，自己能做到什么，用產(chǎn)品品質(zhì)和專業(yè)服務(wù)同國外品牌競爭。
國外的產(chǎn)品經(jīng)過幾十年的技術(shù)積累才發(fā)展至此，如果急于在高端電鏡領(lǐng)域競爭，以國內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)積累，條件并不成熟。冷凍電鏡設(shè)備或技術(shù)的研發(fā)涉及材料、光學、生物、計算科學、半導(dǎo)體、系統(tǒng)集成和先進制造等多個技術(shù)領(lǐng)域，加之冷凍電鏡在過去很長一段時間都是一個相對小眾的領(lǐng)域，我國缺乏對相關(guān)領(lǐng)域的重視和投入，自然缺少相關(guān)人才，這是不可回避的問題。
如此背景下，從某些具體核心技術(shù)上發(fā)力或許是國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域擺脫依賴、實現(xiàn)突圍的戰(zhàn)術(shù)選擇。當下可以集中力量在圖像采集技術(shù)、圖像處理和結(jié)構(gòu)解析，以及冷凍系統(tǒng)的樣品制備技術(shù)等方面逐個突圍。先在這些具體技術(shù)上發(fā)展，等掌握這些核心技術(shù)的發(fā)展之后，就有了一定的積累，再做冷凍電鏡整機更能事半功倍。
過去的歷史證明了誰掌握了最先進的科學儀器，誰就能掌握科技發(fā)展的主動權(quán)。科學儀器是一個研發(fā)周期極長、技術(shù)壁壘極高的行業(yè)。為了將來，突圍已是勢在必行。