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冷凍電鏡 + 清華大學 =CNS？

(資料圖片)

在網絡上時常能看見 " 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表論文。

這種說法更多是出于嫉妒，設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，依然奮戰在科研前線。2017 年，為表彰其在中國冷凍電鏡領域的貢獻，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，國內仿造都仿不出來，就連低端的掃描電鏡，國產份額也不足 10%。從另外一個角度來說，一旦該設備被國外卡脖子，那么國內相關領域的科研工作都要停擺。

冷凍電鏡改變了什么

學術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。它是研究蛋白質結構的重要工具，一經問世就成了科研人員的最佳拍檔。

蛋白質是一切生命的物質基礎，生命活動本質上都是蛋白質功能的體現，為了了解蛋白質的功能，從而解開生命的奧秘，就必須先了解蛋白質的結構，然而這并不容易。

蛋白質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的結構。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構。

這種方式有個前提條件是需要樣品分子能夠結晶，形成穩定的有序晶體。而蛋白質大分子由于分子鏈太長，非常容易扭曲纏結，因而難以結晶。因此，不需要結晶就能拍照的電鏡應運而生。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，使用此技術解析出的蛋白質結構已經超過一萬種，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，離不開科研人員利用冷凍電鏡解析出新冠 S 蛋白結構，從而提升了疫苗開發的針對性。

冷凍電鏡的價值還未完全展現

隨著冷凍電鏡技術的持續進化，在藥物發現和研發方面的應用將進一步打開。

冷凍電鏡技術對于基于結構的藥物設計有著重要的幫助。對于藥物研發人員來說，了解靶點的 3D 結構信息，可以快速建立化合物的構效關系。靶點的選取和結構解析直接決定了藥物開發的成敗。

以經典的 GPCR 蛋白家族為例，GPCR 即 G 蛋白偶聯受體，是一大類膜蛋白受體的統稱。廣泛分布在人體內，功能復雜，與多種疾病的發生和進展過程都有所關聯。目前 FDA 批準的藥物中有超過 30% 是以 GPCR 蛋白為靶向。

傳統的 X 射線衍射方式解析 GPCR 蛋白的結構非常困難，在結晶過程中 GPCR 蛋白容易發生突變。而冷凍電鏡可以直接用來解析經過處理后在生化上性質穩定的膜蛋白，并獲得處于或者接近生理狀態的蛋白結構。冷凍電鏡在解析龐雜的膜蛋白結構的能力更加突出，并且已有大量的高分辨率結構被成功解析。

冷凍電鏡正在為越來越多的難結晶、甚至不可結晶的靶點進行解析，如分子量更大、更動態的蛋白質和蛋白質復合物。此外，冷凍電鏡技術在開發抗體療法、小分子藥物和診斷方面的應用將會越來越多。

不僅僅是生物學，冷凍電鏡的廣泛應用才剛開始。

冷凍電鏡作為結構生物學的科研工具，終極目標是了解生命的本質以及藥物的發展，但在生物學之外，冷凍電鏡未來還將在材料科學等諸多領域展示自身價值。目前，國內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展應用。

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、對環境敏感的特質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的課題。

受到冷凍電鏡觀察敏感生物材料的啟發，研究團隊使用冷凍電鏡技術首次獲得了鋰枝晶原子分辨率級別的結構圖像，還原了鋰金屬在溫和環境下的結構，證明了冷凍電鏡技術可以有效地對脆弱、不穩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。

斯坦福大學的研究團隊總結了近年來冷凍電鏡技術在材料和納米科學中的應用進展，發現隨著冷凍電鏡技術的日臻進步，在電池、聚合物、金屬有機骨架、鈣鈦礦太陽能電池、電催化劑、量子材料等多個領域中長期懸而未決的問題，都能通過冷凍電鏡技術來解答。

作為一種低信號源激發測試技術，冷凍電鏡技術在一些對電子束、熱敏感材料，如鈣鈦礦材料、高分子材料、量子點等精細結構的物理表征與機理研究中也具有巨大的應用潛力。隨著硬件設備與算法的改進，這項引領結構生物化學研究邁入新紀元的技術，未來必定擁有更加廣闊的應用前景，甚至成為材料和納米科學研究中的基礎工具。

市場需求旺盛

雖然有卡脖子風險，但市場需求逐年遞增。

據發改委統計的 2016 年 ~2019 年國內 200 萬元以上科學儀器的采購數據，在光學顯微鏡領域，國產化率為 0%；在電子顯微鏡領域，國產化率僅為 4.42%。其他科學儀器如 X 射線類儀器（1.49%）、質譜類儀器（1.19%）、光譜 - 色譜（0.24%）。

這些數據說明了一個現實，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。

然而，需求是實打實存在的。隨著全球對生命科學、材料研究的探索和研究持續深入，國內眾多高校、科研院所、半導體工業領域對于冷凍電鏡的需求日益增長。

從中國政府采購網搜索近幾年冷凍電鏡的中標數據可以清晰地看到，賽默飛的中標率極高，產品主要為 200kV 和 300kV 冷凍電鏡。從中標數量來看，300kV 產品的需求更加旺盛，因為 300kV 機型是進行結構分析的核心機型，而 200kV 產品通常用于樣品中等分辨率解析和冷凍樣品篩選，與 300kV 產品配套使用。

從采購單位來看，包括復旦大學、河南大學、北大醫學部、山東第一醫科大學、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 是中標最多的產品。

不僅是冷凍電鏡本身，它還帶動了周邊產品和服務市場。比如實驗室改造，像復旦大學冷凍電鏡平臺建設工程、四川大學冷凍電鏡平臺項目中標金額都超過千萬元。由于冷凍電鏡會產生海量數據，因此還需配套建設數據處理系統，復旦大學、南方科技大學、清華大學的相關項目中標金額都超過 2000 萬元。

僅看 2022 年的數據，國內中標 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科大學分別采購了 3 套和 2 套 300kV 產品外，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，美國商業部國家標準局發表過一份報告：儀器儀表工業總產值只占工業總產值的 4%，但它對國民經濟的影響達到 66%。儀器行業，體量雖然不大，卻有著 " 四兩撥千斤 " 的效果。科學儀器是科學研究的基礎工具，也是科技成果創新的重要形式，還是國民經濟發展的重要支撐。

這樣重要的領域，需要國貨盡快突圍。

國產替代尚需時日

如此重要的一個科學儀器，國產品牌的話語權約等于零。

以冷凍電鏡為代表的科學儀器，被稱為科學家的 " 眼睛 "，是高端制造業皇冠上的明珠，然而這個市場卻被海外品牌所壟斷。

據科技日報報道，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。2020 年，這類產品的全球市場銷售規模約為 35 億美金左右，其中國內市場約為 60 億元人民幣，可即使是最頭部的國內公司，也只能從這塊蛋糕中分走 1%~2% 的份額。這種規模的營收甚至還不足以覆蓋研發上的投入。

科學儀器的研發是場馬拉松，跨國公司已經起跑了很久，國內企業尚在熱身階段，追趕難度巨大。

冷凍電鏡技術從上世紀 80 年代出現到如今已走過 40 余年的發展路程。而我國從 2009 年清華大學開始發展冷凍電鏡的應用研究，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 年國內采購冷凍電鏡 10 套，2022 年采購 17 套。國內眾多高校與科研機構引進高端冷凍電鏡用于科研不過 10 余年，相關人才稀缺，更談不上國產化了。

目前，冷凍電鏡的核心零部件、設備整機、配套設備，分析軟件和電鏡數據庫，幾乎全部依賴進口。相關從業人員都是在進口設備搭建的 " 空中樓閣 " 上做研究，一旦被卡脖子，相關工作就不得不停滯。

從技術發展而言，300kV 和 200kV 產品技術門檻較高，而 100kV 或 120kV 產品打破了對于高電壓的需求，電鏡整體價格得以控制在 300kV 產品的十分之一，盡管產品性能稍遜，但亦可滿足大部分的應用需求，六七百萬的價格也比動輒六七千萬的高端產品更容易普及。目前，國內已有團隊針對此類產品進行研發。

從市場角度而言，商業化的冷凍電鏡服務平臺或將得到良好的發展空間。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。電鏡的發展也將經歷類似的效率革命。

雖然包括冷凍電鏡在內的電子顯微鏡有 95% 的產品都是進口，但已有企業著手研究其中核心零部件的國產化。如大束科技近年來自主研發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化，例如液態鎵離子源、電子槍離子槍配件、光闌等。在最極端的情況下，即使在國內已經安裝的進口電鏡原廠家不再提供配件，相關產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幾家能夠獨立設計和生產高端場發射電子顯微鏡整套系統的公司，但整體營收規模尚顯弱小。

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，沒有一家中國企業入選。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，也是研發人員開發新產品的重要武器。

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備更加省心，留給國產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，不能迭代產品力自然下降，產品力下降后用的人就更少，惡性循環就此產生。

以科學儀器中的重要分支實驗室分析儀器為例，全球實驗分析儀器行業大約有 700 億美金的規模，而中國市場總量僅占全球的 7%，約為 400 億人民幣的規模。這個市場又被近 20 種不同類別的儀器所占據，其中體量較大的質譜儀也不過 100 億規模。國產產品還需要與賽默飛、丹納赫、島津等品牌競爭，如果企業只做其中一種產品，可能很難發展壯大。

數量多、規模小、基礎薄是國內儀器企業的普遍生態，但最近 10 余年，行業也在變化，民營企業增多，海歸人才創業增多，也有一批企業跑出來。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，且具有自主研發實力和專業的服務支持體系。清華大學某實驗室使用的進口波譜儀出現故障。若返回原廠維修，耗時長，花費大，于是實驗室嘗試聯系國儀量子，僅用 4 個工作日，就解決了故障，比返回原廠維修，節約了近一個月的時間。

國內企業的發展要找到自己的優勢，搞清楚市場需要什么，自己能做到什么，用產品品質和專業服務同國外品牌競爭。

回到冷凍電鏡，它和光刻機一樣，國外的產品經過幾十年的技術積累才發展至此，如果急于在高端電鏡領域競爭，以國內現有的技術積累，條件并不成熟。冷凍電鏡設備或技術的研發涉及材料、光學、生物、計算科學、半導體、系統集成和先進制造等多個技術領域，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域，我國缺乏對相關領域的重視和投入，自然缺少相關人才，這是不可回避的問題。

如此背景下，從某些具體核心技術上發力或許是國內相關領域擺脫依賴、實現突圍的戰術選擇。當下可以集中力量在圖像采集技術、圖像處理和結構解析，以及冷凍系統的樣品制備技術等方面逐個突圍。先在這些具體技術上發展，等掌握這些核心技術的發展之后，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，誰就能掌握科技發展的主動權。科學儀器是一個研發周期極長、技術壁壘極高的行業。為了將來，突圍已是勢在必行。