文｜動脈網(wǎng)
在網(wǎng)絡(luò)上時常能看見“冷凍電鏡+清華大學(xué)=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(rèn)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(xué)院院士隋森芳參與建設(shè)的清華大學(xué)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(xué)術(shù)差距會因為科學(xué)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(xué)獲獎項目中，因發(fā)明科學(xué)儀器而獲獎的占11%。其中72%的物理學(xué)獎、81%的化學(xué)獎和95%的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎都是借助尖端科學(xué)儀器來完成的。
回到冷凍電鏡本身，它是近年來生物學(xué)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(xué)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?？墒谴蠓肿佑忠驗椴祭蔬\動難以固定，所以有科學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(xué)，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(xué)的科研工具，終極目標(biāo)是了解生命的本質(zhì)以及藥物的發(fā)展，但在生物學(xué)之外，冷凍電鏡未來還將在材料科學(xué)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(xué)研究的前提下，積極探索其在其他學(xué)科的發(fā)展應(yīng)用。
早在2017年，斯坦福大學(xué)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(xué)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?；顫?、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(xué)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(xué)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(xì)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(xué)研究邁入新紀(jì)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(xué)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(xué)儀器的采購數(shù)據(jù)，在光學(xué)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(xué)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(xué)儀器基本被國外品牌所壟斷，有著極高的“卡脖子”風(fēng)險。
2016年~2019年國內(nèi)200萬元以上科學(xué)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(xué)、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(biāo)數(shù)據(jù)可以清晰地看到，賽默飛的中標(biāo)率極高，產(chǎn)品主要為200kV和300kV冷凍電鏡。從中標(biāo)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(xué)、河南大學(xué)、北大醫(yī)學(xué)部、山東第一醫(yī)科大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、中國疾控中心、中科院物理研究所、中科院化學(xué)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(biāo)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(xué)冷凍電鏡平臺建設(shè)工程、四川大學(xué)冷凍電鏡平臺項目中標(biāo)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(xué)、南方科技大學(xué)、清華大學(xué)的相關(guān)項目中標(biāo)金額都超過2000萬元。
僅看2022年的數(shù)據(jù)，國內(nèi)中標(biāo)17套冷凍電鏡，賽默飛再次包攬，總中標(biāo)金額超7億元。除了廣州實驗室和山東第一醫(yī)科大學(xué)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(xué)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(jì)90年代初，美國商業(yè)部國家標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(xué)儀器是科學(xué)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(xué)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(xué)儀器，被稱為科學(xué)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(xué)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(xué)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(jì)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(xué)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(xué)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(xué)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(rèn)識世界的工具，是科學(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)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(xué)、生物、計算科學(xué)、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(dāng)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(xué)儀器，誰就能掌握科技發(fā)展的主動權(quán)。科學(xué)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。