傳統(tǒng)的X射線晶體學(xué)只能解析100千道爾頓以下的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),，冷凍電鏡技術(shù)突破了這一限制,，從而在膜蛋白、離子通道,、G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）等分子量較大的蛋白結(jié)構(gòu)解析中發(fā)揮重要作用,。“這一技術(shù)開(kāi)始從科研院所走向制藥工業(yè)界，被認(rèn)為可能徹底改變新藥研發(fā)的盲篩模式,?！蓖鹾陚ソ淌谡f(shuō)。

基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì),，這一理念提出的愿景十分美好,，然而受制于技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)過(guò)程充滿曲折艱辛和痛苦,，至今數(shù)十年過(guò)去,，成功的案例也不算太多。

看過(guò)巴里 · 沃思著書(shū)《十億美元分子》的讀者,，應(yīng)該會(huì)對(duì)書(shū)中描寫的解析FKBP蛋白及其與FK-506復(fù)合物結(jié)構(gòu)這一貫穿全書(shū)的情節(jié)印象深刻,。為了實(shí)現(xiàn)福泰制藥創(chuàng)立的核心理念——基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)藥物，山下,、穆?tīng)?、維納亞三位科學(xué)家，利用X射線衍射和核磁共振技術(shù),，數(shù)年時(shí)間蝸居在陰暗狹小的實(shí)驗(yàn)室,，晝夜不斷研究，期間無(wú)數(shù)次經(jīng)歷失敗并幾近情緒崩潰,。

但該藥物設(shè)計(jì)理念具有大幅提升新藥研發(fā)效率的潛在誘惑力,，仍吸引不少公司加入。由清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師,，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)王宏偉博士創(chuàng)立的一家創(chuàng)新型生物技術(shù)公司水木未來(lái)，借著冷凍電鏡技術(shù)日趨成熟之機(jī),，重新尋找實(shí)現(xiàn)這一理念的答案,，期待破解藥物設(shè)計(jì)取決于運(yùn)氣這一冰封百年的魔咒。近日,，研發(fā)客專訪了水木未來(lái)的創(chuàng)始人王宏偉博士和CEO郭春龍博士,，聆聽(tīng)他們的創(chuàng)業(yè)歷程和冷凍電鏡對(duì)于當(dāng)下新藥研發(fā)的價(jià)值和作用。

王宏偉教授,，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師，院長(zhǎng),。主要研究方向?yàn)槔鋬鲭娮语@微學(xué)對(duì)生物大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與分子機(jī)理研究,。1996年畢業(yè)于清華大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系，2001年7月于清華大學(xué)獲得生物物理博士學(xué)位,。同年8月赴美,，于勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先后從事博士后研究和擔(dān)任研究科學(xué)家,；2009年1月在美國(guó)耶魯大學(xué)任Tenure-Track助理教授；2011年受聘清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授職務(wù),，目前已全時(shí)回國(guó)工作,。

打開(kāi)新藥研發(fā)暗盒

冷凍電鏡的主要作用是觀察生命體組成成分如蛋白質(zhì)、核酸等的微觀結(jié)構(gòu),，解析有機(jī)大分子的原子組成及它們的空間位置關(guān)系,，是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的重要工具。

近幾年來(lái),，由于冷凍電鏡硬件和算法上的不斷改進(jìn),，其解析結(jié)構(gòu)的速度和分辨率都不斷提高?！袄鋬鲭婄R最初解析一個(gè)高分辨的結(jié)構(gòu),，要花2~3年的時(shí)間，現(xiàn)在只要一周時(shí)間,，結(jié)構(gòu)就能呈現(xiàn),，另外對(duì)于分子量較小的結(jié)構(gòu)解析,，其技術(shù)難題也在不斷突破”,，王宏偉教授預(yù)測(cè)說(shuō)：“未來(lái)結(jié)構(gòu)解析的時(shí)間很可能繼續(xù)縮短到一天甚至幾個(gè)小時(shí)，分子量在5萬(wàn)道爾頓以下的分子結(jié)構(gòu)也可以用冷凍電鏡解析,?！?/p>

此外，冷凍電鏡對(duì)比傳統(tǒng)方法的另一優(yōu)勢(shì)是不用長(zhǎng)晶體,，可以對(duì)冷凍在液氮溫度下的生物大分子樣品直接觀察,，克服了X射線晶體學(xué)中的最大困難。因此,，冷凍電鏡解析結(jié)構(gòu)需要的樣品量非常少,；其次，不用長(zhǎng)晶體可以使觀察到的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更加符合在生命體中的正常狀態(tài),。同時(shí)這一優(yōu)勢(shì)也使得冷凍電鏡更容易觀察到靶點(diǎn)蛋白與小分子藥物間的相互作用,，只要把小分子藥物加入蛋白質(zhì)溶液，馬上就能制備樣品做結(jié)構(gòu)分析,，而傳統(tǒng)的結(jié)晶方法可能導(dǎo)致藥物與蛋白不能結(jié)合或加入藥物后結(jié)晶即被破壞,。

“因此，這一技術(shù)開(kāi)始從科研院所走向制藥工業(yè)界,，被認(rèn)為可能徹底改變新藥研發(fā)的盲篩模式,。“王宏偉教授說(shuō),。

其被用于快速精準(zhǔn)破解藥物潛在作用靶點(diǎn)結(jié)構(gòu),。例如,，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)，在2月初在全球范圍內(nèi)首次解析了新型冠狀病毒的S蛋白結(jié)構(gòu),。他們發(fā)現(xiàn)ACE2蛋白與新型冠狀病毒的親和力竟是SARS病毒的10到20倍,。這在一定程度上揭示了新冠病毒具備很強(qiáng)傳染性的原因。隨后,，2020年2月18日清華大學(xué)生命學(xué)院王新泉課題組和醫(yī)學(xué)院張林琦課題組緊密合作,，解析了新型冠狀病毒表面刺突糖蛋白受體結(jié)合區(qū)與人受體ACE2蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。僅隔一天西湖大學(xué)周強(qiáng)課題組公布使用冷凍電鏡解析了ACE2受體全長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和S蛋白受體結(jié)構(gòu)域與ACE2全長(zhǎng)蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu),。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家在這場(chǎng)全球戰(zhàn)役的后防線戰(zhàn)功累累,，為藥物和疫苗開(kāi)發(fā)提供了重要依據(jù)。

ACE2-B0AT1復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖

據(jù)王宏偉教授介紹,，在針對(duì)一般疾病的新藥靶點(diǎn)解析上,，冷凍電鏡也慢慢嶄露頭角。傳統(tǒng)的X射線晶體學(xué)主要解析分子量在10萬(wàn)道爾頓以下的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),，冷凍電鏡技術(shù)突破了這一限制,，從而在膜蛋白、離子通道,、G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）等分子量較大的蛋白結(jié)構(gòu)解析中發(fā)揮重要作用,。

王宏偉教授認(rèn)為，GPCR結(jié)構(gòu)解析會(huì)是冷凍電鏡技術(shù)助力新藥研發(fā)的一個(gè)重要領(lǐng)域,?！坝?0%的化學(xué)藥以及生物藥，其作用位點(diǎn)與GPCR有關(guān),，治療疾病涵蓋高血壓,、代謝、癌癥,、神經(jīng)退行性疾病等眾多領(lǐng)域,。”

其次,，冷凍電鏡也被用于更準(zhǔn)確地了解藥物與靶點(diǎn)間的相互作用,。冷凍電鏡解析結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)解析溶液中蛋白質(zhì)的幾種不同狀態(tài),，包括蛋白質(zhì)與藥物結(jié)合前后及結(jié)合過(guò)程中的構(gòu)相變化,，為研發(fā)提供豐富的信息。王宏偉說(shuō)：“冷凍電鏡這方面的優(yōu)勢(shì)尤其適合抗體藥研發(fā),，能幫助改造出更好的抗體藥,，使其更加符合疾病治療的要求?！?/p>

王宏偉和安進(jìn)公司也已經(jīng)在采用冷凍電鏡的方法開(kāi)展了G蛋白偶聯(lián)受體相關(guān)的多項(xiàng)合作,。G蛋白偶聯(lián)受體是人體內(nèi)細(xì)胞膜中最大的一類超家族膜蛋白,，約有800多種，是細(xì)胞感知外界信號(hào)的重要途經(jīng),，也是目前已知的成藥最多的藥物靶標(biāo),。

搶占市場(chǎng)先機(jī)

王宏偉教授在冷凍電鏡領(lǐng)域鉆研了許多年，他的學(xué)術(shù)背景讓他和合伙人郭春龍博士對(duì)發(fā)起冷凍電鏡商業(yè)化的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目感到自信,。從清華大學(xué)攻讀博士算起,，王宏偉教授與冷凍電鏡已經(jīng)打了25年的交道。他還參與了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的搭建,，這是中國(guó)最早的也是世界最大的冷凍電鏡平臺(tái)之一,。“在平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中,，我們對(duì)冷凍電鏡方法的應(yīng)用有了更深刻的了解,，也自主開(kāi)發(fā)了一些獨(dú)特的工具手段?！蓖鹾陚フf(shuō),。

他希望這一技術(shù)能被更多人了解和應(yīng)用，也期待自己在冷凍電鏡解析結(jié)構(gòu)方面的特長(zhǎng)能應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)界,。為此,，3年前他與郭春龍博士開(kāi)始討論創(chuàng)立公司的可能。

郭春龍博士在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有成功的創(chuàng)業(yè)投資經(jīng)歷,，他與王宏偉教授從高中到出國(guó)留學(xué)期間都是校友,，同樣看好冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展，認(rèn)為其在未來(lái)至少30年會(huì)是新藥研發(fā)的需求所在,，符合他的投資目標(biāo)。

水木未來(lái)先期構(gòu)建了兩臺(tái)冷凍電鏡設(shè)備,。其中一個(gè)臺(tái)裝載了300KV的冷凍電鏡,，用于單顆粒結(jié)構(gòu)的解析，即上文提到的有機(jī)大分子等的結(jié)構(gòu)解析,。另一臺(tái)則是利用120KV的冷凍電鏡做微晶電子衍射,，用于藥物結(jié)構(gòu)鑒定?！拔覀兪煜さ男》肿铀幬锿ǔＪ欠勰?，也就是含有微晶的狀態(tài)”，王宏偉教授說(shuō)：只要粉末中有3~4個(gè)小的單晶晶體,，冷凍電鏡就能將結(jié)構(gòu)解析出來(lái),，同時(shí)還可以鑒定出小分子藥物的晶型，分析藥物的理化性質(zhì),?！?/p>

因?yàn)橛星迦A大學(xué)的背景作依托,，水木未來(lái)構(gòu)建冷凍電鏡平臺(tái)的速度和能力比同行更有優(yōu)勢(shì)?！袄鋬鲭婄R并不是一臺(tái)買來(lái)就可以使用的設(shè)備,，其需要有專業(yè)的設(shè)備調(diào)試人員，還需要精通這一技術(shù)的實(shí)驗(yàn)操作者和結(jié)構(gòu)解析計(jì)算人員”,，郭春龍?zhí)岬剑骸扒迦A大學(xué)的老師們給水木未來(lái)提供了很多幫助,，使得水木未來(lái)成為亞洲第一家實(shí)現(xiàn)自我設(shè)備安裝調(diào)試運(yùn)行的商業(yè)公司，在這一領(lǐng)域占據(jù)了先機(jī),?！?/p>

郭春龍博士說(shuō)的這一先機(jī)，即是國(guó)內(nèi)外在新藥研發(fā)領(lǐng)域發(fā)生的趨勢(shì)變化,，給拓展冷凍電鏡平臺(tái)應(yīng)用范圍創(chuàng)造的機(jī)會(huì),。近10年，國(guó)內(nèi)新藥研發(fā)公司如雨后春筍般紛紛創(chuàng)立,，國(guó)家各項(xiàng)鼓勵(lì)新藥創(chuàng)制的政策紛紛出臺(tái),，將新藥研發(fā)列為關(guān)鍵發(fā)展項(xiàng)目。國(guó)外雖然也有部分公司提供同類服務(wù),，但水木未來(lái)背靠中國(guó)市場(chǎng),，首要任務(wù)是服務(wù)好中國(guó)自己的藥廠，助力中國(guó)制藥企業(yè)轉(zhuǎn)型,！當(dāng)下,，北京生命科學(xué)研究所已有多個(gè)項(xiàng)目利用水木未來(lái)的平臺(tái)來(lái)解析結(jié)構(gòu)，華西醫(yī)院也與水木未來(lái)建立了合作關(guān)系,，共同解析與抗癌藥物研發(fā)相關(guān)的靶點(diǎn)結(jié)構(gòu),。

而技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)也讓他們吸引到了跨國(guó)大藥廠的目光。目前,，拜耳,、安進(jìn)等等都在尋求與水木未來(lái)的合作?！按笏帍S雖然也可以自建電鏡平臺(tái),，但招人買設(shè)備需要耗費(fèi)大量精力。如果水木未來(lái)提供的服務(wù)能滿足他們的需求,，就有可能會(huì)改變他們的想法,。”王宏偉教授覺(jué)得這一塊市場(chǎng)充滿機(jī)會(huì),。

做臨床前新藥研發(fā)最好的CRO

冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析是新藥研發(fā)鏈條中的上游一環(huán),，水木未來(lái)還準(zhǔn)備將其與下游環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)，從而更大程度提升新藥臨床前研究的效率,。

首先,，計(jì)劃將冷凍電鏡平臺(tái)與計(jì)算化學(xué)平臺(tái)結(jié)合,，這樣在獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以后，即能在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出可能有效的化合物結(jié)構(gòu),。

此外,，水木未來(lái)也完整建立了從樣品制備、結(jié)構(gòu)解析,、計(jì)算化學(xué)再到候選化合物篩選的打包服務(wù),，這一連串服務(wù)的人員設(shè)備布局已基本完成，實(shí)時(shí)可以承接相關(guān)項(xiàng)目,。

郭春龍博士提到了國(guó)外一家提供計(jì)算化學(xué)的公司薛定諤,，成立至今已經(jīng)30年并于今年2月成功上市，很多投資人將該公司稱為計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的“特斯拉”,。他認(rèn)為水木未來(lái)利用冷凍電鏡加計(jì)算化學(xué)的方法做新藥臨床前CRO服務(wù),，也是一件堪比特斯拉的事情。這一方法在看清結(jié)構(gòu)的情況下以白盒子的方式篩選新藥,，不再是傳統(tǒng)的盲篩撞運(yùn)氣,。

“利用傳統(tǒng)的方法讓中國(guó)創(chuàng)新藥公司超越世界制藥巨頭，就像讓中國(guó)的汽油車趕超歐洲的汽車工業(yè)水平,，這不大可能,。但在基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)藥物的新賽道上，誕生中國(guó)的十億美元分子充滿希望,?！惫糊堛裤降馈?/p>

現(xiàn)在,，水木未來(lái)仍處于發(fā)展的早期階段,，員工規(guī)模也僅有10余人，近期剛剛完成天使輪融資,，并計(jì)劃在今年第二季度啟動(dòng)A輪融資,。但公司內(nèi)部一致認(rèn)為水木未來(lái)正在做一件革命性的事情，可能最終顛覆新藥研發(fā)的傳統(tǒng)方式,。

“我們即使是提供服務(wù)，也不是簡(jiǎn)單把客戶交代給我們的活做完,，很多時(shí)候我們還要與客戶細(xì)致講解冷凍電鏡可以做什么,，還可以在新藥研發(fā)的哪些方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，幫助客戶理清思路,，提出解決方案,。”王宏偉教授說(shuō),。

對(duì)話

研發(fā)客：王教授您好,，在20年前,，您剛剛著手研究冷凍電鏡的時(shí)候，這還是一個(gè)全國(guó)不超過(guò)5個(gè)課題組的冷門方向,。從冷凍電鏡技術(shù)最開(kāi)始的發(fā)展到摘得2017年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),，該技術(shù)迅速席卷了結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。您怎么看待從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的跨越,？

王宏偉：

我認(rèn)為無(wú)論國(guó)家發(fā)展到什么階段,，都要強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究的重要性，需要有一群人熱愛(ài)并能沉得下心來(lái)堅(jiān)持基礎(chǔ)研究,。新冠疫情發(fā)生后,，國(guó)內(nèi)科研人員很快解析出病毒的基因序列信息和做出一系列發(fā)現(xiàn)，這些團(tuán)隊(duì)在2003年SARS爆發(fā)后也一直潛心在與冠狀病毒相關(guān)的基礎(chǔ)研究上,，而不是一朝一夕之功,。

很遺憾，過(guò)去十幾年來(lái),，與冠狀病毒相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作并不被重視,。但可喜的是，若干堅(jiān)持從事病毒研究的科研團(tuán)隊(duì),，當(dāng)新冠疫情爆發(fā)時(shí),，迅速做出響應(yīng)，將基礎(chǔ)研究迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用,。因此,，基礎(chǔ)研究要長(zhǎng)期堅(jiān)持，不能因短時(shí)間內(nèi)看不到適用的地方就不做,，而到想用的時(shí)候?yàn)闀r(shí)已晚,。水木未來(lái)的創(chuàng)立也基于多年的基礎(chǔ)研究積累而厚積薄發(fā)的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的。

研發(fā)客：您作為清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師,，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)，同時(shí)還創(chuàng)立了水木未來(lái),，您如何在科學(xué)家,、學(xué)者、教師以及企業(yè)家這些不同的角色之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,？

王宏偉：

每一個(gè)角色對(duì)我來(lái)說(shuō)都有很大不同,。我越發(fā)意識(shí)到成果轉(zhuǎn)化與科研工作是不一樣的。兩者的既定目標(biāo)不同,。學(xué)校更多做原創(chuàng)性的科研成果以及培養(yǎng)學(xué)生,，企業(yè)則要有自己的產(chǎn)品。學(xué)術(shù)更多要求原創(chuàng)性，學(xué)校是從0到1,，企業(yè)是從1到100,。

很多時(shí)候，做企業(yè)比做學(xué)術(shù)要考慮更多,，一個(gè)產(chǎn)品要成為一個(gè)藥,，有很長(zhǎng)的路要走，需要有經(jīng)營(yíng)理念,，包括籌資,、招人、管理和開(kāi)拓市場(chǎng),，把產(chǎn)品線做起來(lái),，這些都很不一樣。郭總時(shí)刻思考的是如何優(yōu)化產(chǎn)品,、降低成本,、提高效率。而在學(xué)校,，我們從事基礎(chǔ)研究對(duì)成本的要求沒(méi)有企業(yè)這么高,。我在水木未來(lái)中的角色還是提供科學(xué)方面的籌劃，運(yùn)營(yíng)則更多是郭春龍這邊負(fù)責(zé),。

研發(fā)客：水木未來(lái)基于冷凍電鏡和高性能計(jì)算,，依托清華大學(xué)生命學(xué)科的科研資源，推動(dòng)生命科技成果轉(zhuǎn)化,，加速原創(chuàng)新藥研發(fā),。您認(rèn)為，國(guó)內(nèi)新藥研發(fā)能力及需求與水木未來(lái)所提供的服務(wù)其匹配度怎樣,？

王宏偉：

近些年來(lái),，國(guó)內(nèi)生物制藥創(chuàng)新發(fā)展很快，水平從國(guó)際上來(lái)看獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,。藥物研發(fā)需求與水木未來(lái)的服務(wù)較為契合,。我整體感覺(jué)與行業(yè)還是非常有共同語(yǔ)言。我們會(huì)對(duì)每家新藥研發(fā)企業(yè)的需求進(jìn)行分析,，有些公司對(duì)冷凍電鏡還不太熟悉,，未來(lái)我們需要跟行業(yè)進(jìn)行更多的合作和解讀，通過(guò)具體的案例宣傳,，讓更多新藥研發(fā)人員認(rèn)識(shí)到冷凍電鏡的作用和價(jià)值,。

（冬蕾編輯整理）

欄目預(yù)告

由水木未來(lái)與研發(fā)客合辦的欄目“見(jiàn)微知著”即將推出。本專欄共分2個(gè)部分——“見(jiàn)微”欄目致力于篩選出在某一領(lǐng)域的發(fā)展中有重大標(biāo)志意義與指導(dǎo)作用的文獻(xiàn),，在解讀專家團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下解讀整篇文獻(xiàn)并翻譯其重點(diǎn)部分，幫助同仁們輕松把握學(xué)界的最新成果；“知著”欄目致力于解讀并部分翻譯揭示制藥行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)新動(dòng)向的文章,，幫助各大藥企更深刻更精準(zhǔn)地把控市場(chǎng)變化與行業(yè)動(dòng)態(tài),。為保證更新質(zhì)量，兩欄目的更新頻率均為雙周,，歡迎各位同仁們學(xué)習(xí),，檢驗(yàn)并提出意見(jiàn)。

（本文特別感謝水木未來(lái)王莉老師和DIA中國(guó)王彤焱老師的幫忙）

總第1043期