祝冷凍電鏡之父Joachim Frank

82歲生日快樂(lè)！

約阿希姆·弗蘭克，德裔生物物理學(xué)家，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，現(xiàn)任美國(guó)哥倫比亞大學(xué)教授，研究領(lǐng)域包括生物化學(xué)、分子生物物理學(xué)等。

1975年到2008年間，弗蘭克教授完善了電子顯微鏡圖像處理的單顆粒算法，發(fā)明了SPIDER軟件，該軟件至今為全世界上百家實(shí)驗(yàn)室廣泛使用。弗蘭克教授應(yīng)用冷凍電鏡和單顆粒技術(shù)，在解析原核和真核細(xì)胞核糖體結(jié)構(gòu)和功能領(lǐng)域做出了非凡的貢獻(xiàn)。

2017年10月，弗蘭克教授與雅克·杜波謝、理查德·亨德森共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)凇袄鋬鲭婄R用于生物分子結(jié)構(gòu)的高分辨率解析領(lǐng)域”做出的巨大貢獻(xiàn)。

本期水木視界對(duì)約阿希姆·弗蘭克教授的諾獎(jiǎng)感言自傳進(jìn)行翻譯，期望更多冷凍電鏡領(lǐng)域的同僚們能夠了解這位冷凍電鏡之父的傳奇過(guò)往。

原文："Joachim Frank Biographical"

Copyright ? The Nobel Foundation 2017

“Normally, my dog wakes me up in the morning. But today, it was the Nobel Prize!”

—Joachim Frank

以下內(nèi)容為弗蘭克教授諾獎(jiǎng)感言：

我于1940年9月12日出生在德國(guó)的魏德瑙鎮(zhèn)。自1972年以來(lái)，魏德瑙鎮(zhèn)一直是錫根市的一部分。錫根市擁有約10萬(wàn)左右的居民，位于北萊茵·威斯特法倫州的南端。它周?chē)纳絽^(qū)被稱(chēng)為錫格蘭，在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)，錫格蘭的鐵礦開(kāi)采、加工和冶煉行業(yè)都欣欣向榮。作為傳統(tǒng)技術(shù)，鐵礦的開(kāi)采可以一直追溯到兩千年前的凱爾特人。不過(guò)，在采礦和加工業(yè)轉(zhuǎn)移到發(fā)達(dá)的魯爾區(qū)后，留給錫格蘭的任務(wù)就只剩鋼鐵的冶煉了：鍋爐、鐵管、鐵軌、鐵桶和許多其他由鐵和鋼制成的部件。魏德瑙鎮(zhèn)的地標(biāo)是“富士山”，一個(gè)巨大的鐵礦渣堆，與日本的名山形狀一致。此外，錫根也是奧蘭治·拿騷家族的所在地，他們是荷蘭皇室的血脈。

作為畫(huà)家彼得·保羅·魯本斯的出生地，錫根市為此而自豪。然而，畫(huà)家彼得在錫根出生的原因則是一場(chǎng)鬧?。核母赣H與有身孕的母親從科隆出發(fā)，在乘坐馬車(chē)途徑錫根時(shí)被逮捕。三個(gè)城市，錫根、科隆和安特衛(wèi)普都聲稱(chēng)彼得是他們的兒子，城市之間的爭(zhēng)執(zhí)是錫根上城區(qū)噴泉的永恒主題：在雕塑上，三位母親一同抱著嬰兒彼得·保羅，并為之爭(zhēng)吵。

彼得·保羅·魯本斯(Sir Peter Paul Rubens)

1577年6月28日－1640年5月30日

比利時(shí)畫(huà)家，巴洛克畫(huà)派早期的代表人物

我的父親威廉·弗蘭克是錫根法院的一名法官。他于1896年出生在魏德瑙。不過(guò)，他并沒(méi)有完成全部的法律學(xué)業(yè)：他被征召并參加了一戰(zhàn)中的凡爾登戰(zhàn)役，并由于受傷而失去了大半個(gè)左手。他的母親，也就是我的奶奶，出身于當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)富裕家族：施萊芬鮑姆家族，他們經(jīng)營(yíng)著繁榮的鋼鐵企業(yè)。我的爺爺是一名高中教師，來(lái)自錫根郊區(qū)的一個(gè)鄉(xiāng)村家庭。我的母親夏洛特來(lái)自杰出的曼斯科普夫家族，該家族在錫根的淵源可以追溯到15世紀(jì)。在18世紀(jì)，曼斯科普夫家族的一個(gè)分支在法蘭克福定居，并通過(guò)國(guó)際葡萄酒貿(mào)易獲得了無(wú)盡的財(cái)富和聲譽(yù)。而在19世紀(jì)初，他們則與歌德的家族關(guān)系密切。

左側(cè)：1940年，與我的母親夏洛特、父親威廉、他的妹妹伊麗莎白、我的祖母阿瑪莉-施萊芬鮑姆、哥哥赫爾穆特和妹妹英格伯格在一起。我的妹妹雷娜特將在四年后出生。右側(cè)：我父母在魏德瑙的家，恩格斯巴赫大街3號(hào)，1905年的建筑圖紙顯示了原來(lái)的兩層樓的陽(yáng)臺(tái)。
我的母親畢業(yè)于Stift Keppel高中，這是一所創(chuàng)辦于13世紀(jì)的女子高中?；楹螅粼诩依镎疹櫵?strong>四個(gè)孩子：我、我四歲的妹妹雷娜特和兩個(gè)哥哥姐姐，英格伯格和赫爾穆特。我們的家宅大而莊嚴(yán)，是我的祖父母在1905年用紅色雙層玻璃磚建造的，極為堅(jiān)固。它坐落于一塊大小適中的土地上，與街道接壤的地方有一道鍛鐵柵欄。家宅的一樓和二樓有陽(yáng)臺(tái)，可以俯瞰后院。外側(cè)的步道上鋪滿(mǎn)了裝飾性碎石，并種著幾顆黃楊樹(shù)。

[戰(zhàn)爭(zhēng)年代]

錫根市，北萊茵·威斯特法倫州，德國(guó)
我出生于二戰(zhàn)期間，而戰(zhàn)爭(zhēng)影響了我的整個(gè)童年。由于錫根市發(fā)達(dá)的鋼鐵制造業(yè)，它是盟軍空襲的首要目標(biāo)。在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束時(shí)，錫根市80%的建筑物都被夷為了平地。大約是我四歲的時(shí)候，一些鄰居的房屋被陸續(xù)地炸毀了。在1944年2月的一次凌晨空襲中，我父母的房子也被炸毀。由于屋頂和上層被毀，其余的部分也因漏水而無(wú)法居住，我們不得不搬到北部20公里左右的希爾興巴赫鎮(zhèn)，在那里，我父親的同事為我們提供了一套公寓。這套公寓位于威廉斯堡，它是一座18世紀(jì)依水而建的城堡，也是當(dāng)時(shí)的法院大樓。在我的記憶中，我當(dāng)時(shí)坐在城堡地下室的防空洞里，周?chē)M繞著嬰兒的哭鬧，飛機(jī)、空襲和無(wú)線電廣播聲，這些聲音充斥著我青少年時(shí)期的噩夢(mèng)。

戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后的那段時(shí)間尤為艱難。母親常常會(huì)乘坐去往鄉(xiāng)下的火車(chē)，用我們家中剩余的鐵制品換取黃油、火腿、面包、面粉和雞蛋。“天然的黃油”來(lái)之不易，母親會(huì)把它們攪拌進(jìn)人造黃油中，但并不會(huì)稀釋太多，這樣我們就能盡可能長(zhǎng)地記住黃油真正的味道。我們也有一個(gè)很大的花園，種植了蘋(píng)果樹(shù)、梨樹(shù)和櫻桃樹(shù)。有一段時(shí)間，我們?yōu)榱酥谱魈菨{而種植了一些甜菜，并種植了煙草來(lái)滿(mǎn)足父親的吸煙習(xí)慣。我們還會(huì)在后院養(yǎng)雞，甚至一度在陽(yáng)臺(tái)下面養(yǎng)了一頭小豬。這些花園中的時(shí)光，使我得以近距離欣賞大自然。

附近燒毀和倒塌的房屋瓦礫對(duì)我有一種錯(cuò)綜復(fù)雜的吸引力，令我既恐懼又著迷。恐懼是對(duì)混亂和破壞的自然反應(yīng)，特別是對(duì)一個(gè)孩子來(lái)說(shuō)，這意味著危險(xiǎn)無(wú)處不在。著迷的部分源自和其他同齡男孩一起在荒涼的土地上玩耍的經(jīng)歷，到處都堆滿(mǎn)了磚頭、罐子、扭曲的電線和塑料碎片。我們經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)老鼠窩，里面有一些尚處目盲的粉紅色鼠崽。

[啟蒙教育]

錫根市，北萊茵·威斯特法倫州，德國(guó)

我的小學(xué)就在家的街道對(duì)面，在那里我度過(guò)了四年的啟蒙時(shí)光。八歲時(shí)，在還沒(méi)有任何科學(xué)概念的時(shí)候，我在陽(yáng)臺(tái)下面的陰涼處開(kāi)始了第一次實(shí)驗(yàn)，是天生的好奇心驅(qū)使我這樣做的：我搭了一個(gè)架子，收集了一些利口酒的酒瓶，并用它們?nèi)パb滿(mǎn)我能得到的每一種液體：食用油、水、汽油，以及我長(zhǎng)大一點(diǎn)之后得到的鹽酸。憑著直覺(jué)，我把這些液體混合起來(lái)，把金屬置入其中，并記錄結(jié)果。我看著碳化鈣在水中溶解，并著迷于激烈的反應(yīng)和逸出氣體的氣味；我看著鋅在鹽酸中溶解并冒出氣泡；我在一個(gè)與管子相連的金屬容器中加熱煤，因?yàn)槲衣?tīng)說(shuō)會(huì)有可燃的氣體冒出來(lái)。

邁耶百科詞典，這是我在被毀的老房子里發(fā)現(xiàn)的一套20卷百科全書(shū)，每卷約1000頁(yè)。這套百科全書(shū)登陸了海量的學(xué)術(shù)文章、技術(shù)圖紙、彩色照片和世界各地的地圖。在我識(shí)字之后，它們陪伴我度過(guò)了整個(gè)童年和青少年時(shí)期。我花了幾年的時(shí)間把它們都讀完了。這套出版于1905年的百科全書(shū)信心滿(mǎn)滿(mǎn)地宣稱(chēng)：人類(lèi)已經(jīng)把世上所有的東西都研究得不能再透徹，不過(guò)，1905年恰好也是愛(ài)因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)論文的一年，那篇論文證明了能量的量化，也就是量子力學(xué)的前身。對(duì)于那套百科全書(shū)來(lái)說(shuō)，這還是挺諷刺的。如今，這套書(shū)的內(nèi)容并沒(méi)有太多的參考價(jià)值了，卻對(duì)我來(lái)說(shuō)有相當(dāng)?shù)募o(jì)念價(jià)值：它們被我視作紀(jì)念那套祖宅的傳家寶。

高中的科學(xué)課。在我身后右側(cè)的兩個(gè)身位處，他們是霍斯特·施密特·博金和烏爾里?！っ凡柕?。在未來(lái)，他們將成為物理學(xué)家。照片由@弗里德海姆·施克提供。

從五年級(jí)開(kāi)始，我轉(zhuǎn)學(xué)到了莫里茨文理中學(xué)，這是以?shī)W蘭治·拿騷家族一位著名公爵命名的學(xué)校，而我是小學(xué)班20名學(xué)生中僅有的4名升學(xué)者之一(在德國(guó)的體系中，文理中學(xué)將初中和高中合并到一起)。在那里，我對(duì)科學(xué)課，特別是物理課產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣。同時(shí)，我擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)范圍，并在閣樓開(kāi)辟了第二個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地。在那里我會(huì)嘗試修補(bǔ)一些小玩意，例如用廢棄或郵購(gòu)的零件組裝收音機(jī)：哥哥曾向我演示過(guò)如何組裝一個(gè)水晶收音機(jī)，而我很快就癡迷于這些精巧的小物件，不可自拔。之后，我制作了幾個(gè)花哨的微型收音機(jī)，并裝在肥皂盒里。我的大部分零花錢(qián)都用在了閥門(mén)、晶體管、電阻器和電容器的購(gòu)買(mǎi)上，而閣樓上則充滿(mǎn)了松香焊接時(shí)產(chǎn)生的"蒸汽"味。幸運(yùn)的是，我在學(xué)校里結(jié)識(shí)了一個(gè)志同道合的朋友，他就住在街對(duì)面。

這時(shí)我應(yīng)該補(bǔ)充一下，我的三個(gè)兄弟姐妹都在同一所文理中學(xué)上學(xué)。

在獲得高中畢業(yè)證后，我的哥哥去攻讀并完成了工程博士學(xué)位，成為了一名職業(yè)安全領(lǐng)域的公務(wù)員。我的兩個(gè)姐姐都在高中二年級(jí)時(shí)轉(zhuǎn)去了職業(yè)學(xué)校，進(jìn)行理療師的就職培訓(xùn)。在結(jié)婚并將幾個(gè)孩子拉扯大之后，長(zhǎng)姐完成了她中斷的高中學(xué)業(yè)，并進(jìn)入大學(xué)，獲得了生物化學(xué)的博士學(xué)位。而二姐從理療師轉(zhuǎn)型成了一位藝術(shù)家，她制作了許多漂亮的被子，直至1998年她因癌癥早逝。

[進(jìn)入大學(xué)]

弗賴(lài)堡市，巴登·符騰堡州，德國(guó)

我始終覺(jué)得，在大學(xué)里我注定會(huì)選擇物理專(zhuān)業(yè)。而我的父親常常質(zhì)疑這個(gè)選擇，理由是這個(gè)專(zhuān)業(yè)并不能糊口。1960年，在完成高中學(xué)業(yè)后，我去了弗賴(lài)堡大學(xué)(University in Freiburg)，并從省會(huì)城市搬到了僻靜的小鎮(zhèn)，鎮(zhèn)上有一些大型哥特式教堂和許多迷人的中世紀(jì)建筑，這令我恍如隔世。我學(xué)習(xí)了微積分和線性代數(shù)，并學(xué)會(huì)如何去撰寫(xiě)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。此外，我也學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)物理學(xué)科的特殊函數(shù)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的課程。

我視在亞琛攻讀工程博士的哥哥為榜樣，加入了著名的弗萊堡大學(xué)Suevia兄弟會(huì)，結(jié)識(shí)了一些朋友。但后來(lái)，受60年代政治動(dòng)蕩的影響和啟發(fā)，我逐漸意識(shí)到了那些扎根于德國(guó)學(xué)生組織中的民族主義和右翼思想，并退出了兄弟會(huì)。當(dāng)時(shí)的弗萊堡大學(xué)校長(zhǎng)，臭名昭著的馬丁·海德格爾(Martin Heidegger)公開(kāi)地支持元首。我曾經(jīng)看到年邁但瘦小的海德格爾在大學(xué)門(mén)口發(fā)表公開(kāi)演講，這一舉動(dòng)在外界看來(lái)極為罕見(jiàn)。不過(guò)，他被一群學(xué)生簇?fù)碇?，我?guī)缀蹩床坏剿?/p>

由于在學(xué)士畢業(yè)考試中表現(xiàn)突出，我得到了德國(guó)學(xué)術(shù)研究基金會(huì)的提名：這是一項(xiàng)特殊的獎(jiǎng)學(xué)金，并在日后極大地拓寬了我的視野，使我能了解其他學(xué)科和人文領(lǐng)域。通過(guò)組織科學(xué)前沿會(huì)議，基金會(huì)促進(jìn)了跨學(xué)科的討論。在1964年的一次會(huì)議上，我第一次了解到 "中央教條"原則和DNA結(jié)構(gòu)。也是在這里，我和神經(jīng)生理學(xué)家沃爾夫·辛格(Wolf Singer)初識(shí)，并開(kāi)啟了直至如今的長(zhǎng)遠(yuǎn)友誼。我和辛格，以及志同道合的學(xué)生們一起成立了討論小組，專(zhuān)注于當(dāng)時(shí)的熱門(mén)話題—“控制論”。

[碩士與博士]

慕尼黑市，巴伐利亞州，德國(guó)

為了得到碩士學(xué)位，我前去慕尼黑大學(xué)物理系做畢業(yè)論文相關(guān)的工作。論文項(xiàng)目與液態(tài)金上的電子后向散射有關(guān)，這個(gè)深?yuàn)W的課題與當(dāng)時(shí)新興的高能電子束技術(shù)息息相關(guān)。我的導(dǎo)師恩斯特·金德(Ernst Kinder)曾在早期使用電子顯微鏡做了一些工作：他發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀的彩色圖案源自于微小鱗片處于亞顯微排列時(shí)產(chǎn)生的光干擾。現(xiàn)在，他的辦公室里仍然保留著一臺(tái)古老的電子顯微鏡。

這段經(jīng)歷讓我對(duì)涉及電子顯微鏡的項(xiàng)目頗有好感。最終，我選擇了沃爾特·霍普(Walter Hoppe)作為我的博士導(dǎo)師，他是馬克思普朗克蛋白質(zhì)皮革研究所的X射線晶體學(xué)家，后轉(zhuǎn)為電子顯微鏡專(zhuān)家，該研究所后來(lái)遷至馬丁斯里德(Martinsried)，更名為馬克思·普朗克生物化學(xué)研究所(Max Planck Institutes)?；羝盏难芯?jī)?nèi)容是利用電子顯微鏡對(duì)生物分子進(jìn)行三維成像的方法。我的論文則側(cè)重于利用統(tǒng)計(jì)光學(xué)等領(lǐng)域的方法探索電子顯微照片的特性。我在Optik雜志上發(fā)表的第一篇論文，研究了樣品漂移對(duì)顯微照片的光學(xué)衍射圖案產(chǎn)生的影響，并以傅里葉理論解釋了觀察到的條紋。當(dāng)霍普承認(rèn)這是一項(xiàng)完全獨(dú)立的工作，拒絕在作者欄簽署他的名字時(shí)，我無(wú)比自豪。

我的首次計(jì)算機(jī)編程使用了ALGOL編程語(yǔ)言，每次編譯和運(yùn)行新寫(xiě)的程序之前，我都要花費(fèi)20分鐘左右步行到大學(xué)。后來(lái)我學(xué)會(huì)了用FORTRAN語(yǔ)言進(jìn)行編程，所使用的設(shè)備是IBM1130，它建造于我們研究所的一個(gè)小地下室里，我有時(shí)會(huì)在那里工作到深夜。研究所的生活方式十分獨(dú)特，具有明顯的巴伐利亞色彩，只需要步行短短的幾分鐘，就能從研究所步行到舉辦啤酒節(jié)的大草坪。在蘑菇生長(zhǎng)的季節(jié)，人們會(huì)在清晨組織采摘蘑菇的活動(dòng)。三至四名學(xué)生會(huì)組成戶(hù)外小組，與一位對(duì)蘑菇了如指掌的專(zhuān)家一同出發(fā)，帶回許多真菌和雞油菇。我們會(huì)用錐形瓶和燒瓶將它們煮熟，撒上鹽，與巴伐利亞面包一同食用。我們也曾在圖書(shū)館中用一桶啤酒和大塊的肉餅來(lái)慶祝論文的刊登。

當(dāng)時(shí)的慕尼黑和現(xiàn)在一樣，是一個(gè)文化活動(dòng)豐富的城市，到處都是娛樂(lè)場(chǎng)所：每天去聽(tīng)一場(chǎng)古典音樂(lè)會(huì)算得上是日常了。我的一個(gè)古典音樂(lè)愛(ài)好者朋友也從弗萊堡搬到了慕尼黑，并邀請(qǐng)我去看了許多出色的演出。耳濡目染下，只靠幾個(gè)開(kāi)場(chǎng)音符，我就能辨認(rèn)出許多古典交響曲。此外，慕尼黑歌劇院的票價(jià)平易近人，卻總能提供宏大的體驗(yàn)。在那段時(shí)間里，我主要有兩批朋友，一批是揚(yáng)·格羅內(nèi)博格等人，格羅內(nèi)博格是一位具有烏托邦思想的大學(xué)輟學(xué)生，住在慕尼黑郊外的小屋里。另一批是沃爾夫·辛格等人，我通過(guò)學(xué)術(shù)研究基金會(huì)認(rèn)識(shí)了他們，靠著沃爾夫·辛格的介紹，我認(rèn)識(shí)了我的第一任妻子凱茜·恩格伯格。我們于1969年結(jié)婚，但這段婚姻只維持了不到10年。

1968年，一次在希爾謝洛鎮(zhèn)的會(huì)議讓我有機(jī)會(huì)認(rèn)識(shí)了幾個(gè)未來(lái)在這個(gè)領(lǐng)域舉足輕重的人。這次研討會(huì)是由瓦爾特·霍普和劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的馬克斯·佩魯茨(Max Perutz)共同組織的，佩魯茨因在蛋白質(zhì)X射線晶體學(xué)方面的開(kāi)創(chuàng)性工作而聞名。在那里，我遇見(jiàn)了哈羅德·埃里克森、理查德·亨德森、肯·霍姆斯、休·赫胥黎和奈杰爾·昂溫等人。在下午，與會(huì)者們可以自由地滑雪，而上午和晚上都保留給講座和討論，其形式類(lèi)似于戈登會(huì)議。與我的論文相關(guān)的兩篇德文論文后來(lái)發(fā)表在了會(huì)議記錄中，載于Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie特刊。

[博士后階段]

加利福尼亞州，美國(guó)

1970年初夏，在慕尼黑工業(yè)大學(xué)的論文答辯結(jié)束后，我獲得了哈克尼斯獎(jiǎng)學(xué)金(Harkness Fellowship)，這使我可以前往美國(guó)兩年，并自行決定進(jìn)入哪些實(shí)驗(yàn)室。我選擇了加州理工大學(xué)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、加州大學(xué)伯克利的唐納(Donner)實(shí)驗(yàn)室、和康奈爾大學(xué)。來(lái)自歐洲的我，卻搬去了帕薩迪納這樣好萊塢一樣的地方，那里有繁華的高速公路、緊靠棕櫚樹(shù)的小房子以及穿著網(wǎng)球鞋的小老太太，這種文化沖擊難以言喻。

事后看來(lái)，這三個(gè)實(shí)驗(yàn)室都給了我未來(lái)方向的重要推動(dòng)力。當(dāng)時(shí)的JPL擁有世界上最好的圖像處理設(shè)備，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)模塊化的圖像處理系統(tǒng)VICAR，我可以將自己的程序掛在上面。這個(gè)軟件包后來(lái)成為我開(kāi)發(fā)SPIDER系統(tǒng)的模型。在唐納實(shí)驗(yàn)室，我和鮑勃·格萊澤的小組在一起，他專(zhuān)注于用電磁波進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究的兩個(gè)典型問(wèn)題：樣品的輻射損傷和對(duì)水合環(huán)境的需求。他和他的學(xué)生肯·泰勒(Ken Taylor)已經(jīng)在試驗(yàn)冷凍水化樣品的制備，但當(dāng)時(shí)雅克·杜博歇(Jacques Dubochet)決定性的玻璃態(tài)冷凍技術(shù)還沒(méi)有被發(fā)明出來(lái)。在康奈爾大學(xué)的本杰明·西格爾小組里，我認(rèn)識(shí)了肯·唐寧(Ken Downing)和威廉·戈德法布(William Goldfarb)。后來(lái)我邀請(qǐng)威廉加入了我在奧爾巴尼的團(tuán)隊(duì)。

這時(shí)我需要提一句，1972年我在康奈爾大學(xué)時(shí)，我的兒子霍西亞·揚(yáng)·弗蘭克(Hosea Jan Frank)出生了。

從美國(guó)回來(lái)后，我在1972年的冬天短暫地回到了馬克思·普朗克研究所，研究電子顯微鏡的部分相干性理論。這項(xiàng)工作使我與世界級(jí)的電子光學(xué)專(zhuān)家彼得·霍克斯(Peter Hawkes)有了接觸。1973年，我加入了劍橋大學(xué)卡文迪許(Cavendish)實(shí)驗(yàn)室的弗農(nóng)·埃利斯·科斯萊特(Vernon Ellis Cosslett)小組，擔(dān)任高級(jí)研究助理。

與我往來(lái)的人中有歐文·薩克斯頓(Owen Saxton)和彼得·霍克斯(Peter Hawkes)。在卡文迪許的幾年里，我進(jìn)一步研究了部分相干理論，并找到了一種方法：通過(guò)計(jì)算同一區(qū)間的兩個(gè)連續(xù)圖像的互相關(guān)性來(lái)獲得電子顯微照片的信噪比。

這時(shí)，單顆粒平均和重建的設(shè)想在我的腦海中占據(jù)了一席之地：將電子劑量分散到網(wǎng)格上隨機(jī)排列分子的多個(gè)"副本"中。1975年，我發(fā)表了一篇概念性的論文，提出了利用溶液中重復(fù)出現(xiàn)的分子來(lái)檢索分子結(jié)構(gòu)的想法。之后，我和歐文一起研究了生物分子的明場(chǎng)圖像，并確定了它們?cè)谔囟ǖ臈l件下能夠以足夠的精度排列，從而使圖像達(dá)到了一定的平均分辨率，這項(xiàng)研究的結(jié)果在1977年共同發(fā)表。自此我開(kāi)始相信，單顆粒的方法即使在弱原生對(duì)比度的條件下(即蛋白質(zhì)與水)也能發(fā)揮作用。

[Wadsworth研究中心]

奧爾巴尼市，紐約州，美國(guó)

1975年，我收到了紐約州Wadsworth研究中心的唐·帕森斯(Don Parsons)發(fā)來(lái)的工作邀請(qǐng)。在那里，我最初的任務(wù)是細(xì)胞切片的斷層重建，但我繼續(xù)將研究重心放在了單顆粒方法的應(yīng)用上。這兩個(gè)領(lǐng)域的交叉使我意識(shí)到，我需要一個(gè)程序框架來(lái)確保后續(xù)程序設(shè)計(jì)的靈活性。因此，我開(kāi)始對(duì)SPIDER進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這是一個(gè)模塊化的圖像處理系統(tǒng)。隨著單顆粒技術(shù)的發(fā)展，SPIDER成為向社會(huì)傳播單顆粒技術(shù)的工具。它最初采取了買(mǎi)斷制，只收取一次性費(fèi)用，后來(lái)，它補(bǔ)充了創(chuàng)意共享許可，能夠被免費(fèi)地使用。

之后，過(guò)了很多年的時(shí)間，單顆粒概念才得以被證明有效，我們收到了生物分子的實(shí)際圖像：由加州大學(xué)洛杉磯分校的大衛(wèi)·艾森伯格(David Eisenberg)提供的谷氨酰胺合成酶，戈廷根大學(xué)的彼得·辛斯海姆(Peter Zingsheim)提供的乙酰膽堿受體，以及羅氏的米羅斯拉夫·布布里克(Miloslav Boublik)提供的核糖體。我的朋友馬丁·凱塞爾也利用休假的時(shí)間幫助我進(jìn)行了一些研究。在每個(gè)案例中，二維平均數(shù)的可重復(fù)性證明了這種方法是合理的。然而，電子顯微鏡業(yè)內(nèi)仍有不少人持懷疑態(tài)度。轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)1980年，我和荷蘭學(xué)生馬林·范·海爾(Marin van Heel)共同開(kāi)發(fā)了一種解決異質(zhì)性問(wèn)題的方法。為了尋找具有挑戰(zhàn)性的合適分子來(lái)嘗試這項(xiàng)技術(shù)，我開(kāi)始與法國(guó)圖爾的讓·拉米(Jean Lamy)以及他的學(xué)生尼古拉斯·博伊賽(Nicolas Boisset)合作，對(duì)各種節(jié)肢動(dòng)物的血藍(lán)蛋白進(jìn)行成像。多年來(lái)我一直與尼古拉斯保持聯(lián)系，直到他于2008年不幸去世。他的記錄方式一絲不茍，并為單顆粒重建的原理制作了精美的幻燈片。

奧爾巴尼鎮(zhèn)是紐約州的首府，卻淹沒(méi)在了紐約市的光輝下。該鎮(zhèn)被美麗的鄉(xiāng)村所包圍，僅靠步行便能進(jìn)入阿迪朗達(dá)克山脈。

搬到奧爾巴尼不僅讓我得到了第一個(gè)獨(dú)立職位，還釋放了我在科學(xué)之外的領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)造性表達(dá)的沖動(dòng)。我加入了一個(gè)藝術(shù)家集體，名為WORKSPACE，由杰西·加雷特(Jacy Garrett)創(chuàng)立。當(dāng)時(shí)，行為藝術(shù)正在全美范圍內(nèi)被重新定義，藝術(shù)家組織也如雨后春筍般出現(xiàn)。激浪派(FLUXUS)運(yùn)動(dòng)將大眾的注意力引向了一些邊緣的、偶然的東西。我并沒(méi)有藝術(shù)相關(guān)的文憑，卻憑借創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)成功地被WORKSPACE接納了，這讓我感覺(jué)不錯(cuò)。我參加了他們的郵件通信，并在幾年內(nèi)為一本名為PROP的小型文學(xué)雜志提供編輯工作。

70年代末，我的第一次婚姻結(jié)束了。離婚協(xié)議使我們擁有對(duì)兒子的共同監(jiān)護(hù)權(quán)，這讓我在城里呆了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，并見(jiàn)證我的兒子霍西安成長(zhǎng)為一個(gè)多才多藝的藝術(shù)家，他之后將名字中的揚(yáng)(Jan)改名為了澤(Ze)。1982年，我在奧爾巴尼遇到了我現(xiàn)在的妻子卡羅爾·薩吉諾(Carol Saginaw)。卡羅爾最初在紐約州心理健康辦公室工作，并在多年以來(lái)?yè)?dān)任紐約州幾個(gè)非營(yíng)利組織的執(zhí)行董事，從事心理健康工作，后來(lái)，她又從事了早期護(hù)理和教育工作。卡羅爾來(lái)自密歇根州的一個(gè)猶太家庭，她的許多家庭成員都在我祖國(guó)建造的毒氣室中喪生了。盡管我們之間不同的背景帶來(lái)了很多麻煩，但我們還是在1983年完婚，并幸福地生活到現(xiàn)在。在很大程度上，是卡羅爾的支持和對(duì)我的信任使我取得了勝利，并走到了我職業(yè)生涯的今天。

同時(shí)，我也開(kāi)始嘗試用英語(yǔ)寫(xiě)小說(shuō)，當(dāng)威廉·肯尼迪，以及后來(lái)的史蒂文·米爾豪斯和尤金·加伯對(duì)我的手稿給予非常積極的反饋時(shí)，我感到受寵若驚。對(duì)我來(lái)說(shuō)，用第二語(yǔ)言去創(chuàng)造性地表達(dá)自己的想法是令人興奮的，因?yàn)槲耶?dāng)時(shí)并不確定未來(lái)是否會(huì)回到德國(guó)生活。在紐約州立大學(xué)的尤金·加伯(Eugene Garber)教授的小說(shuō)寫(xiě)作課程結(jié)束后，他班上的學(xué)員，包括我在內(nèi)，決定繼續(xù)以作家小組的形式聚會(huì)。這個(gè)小組內(nèi)的一些建設(shè)性批評(píng)，以及我后來(lái)加入的其他小組，都磨練了我的寫(xiě)作，幫助我認(rèn)識(shí)到“自己的聲音”。自此，寫(xiě)作成為了我生活的一部分。

「

www.franxfiction.com

約阿希姆·弗蘭克教授的寫(xiě)作網(wǎng)站

」

現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，我早期對(duì)單顆粒冷凍電鏡的貢獻(xiàn)主要是由三個(gè)因素促成的：我工作的地方安靜祥和，也沒(méi)有任何教學(xué)要求，此外，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的穩(wěn)定支持也必不可少。這種支持一直持續(xù)到了今天。我很幸運(yùn)地在1982年邀請(qǐng)到邁克爾·雷德馬赫加入了我的團(tuán)隊(duì)，他是一名德國(guó)學(xué)生，也曾師從于沃爾特·霍普，在任意幾何形狀的三維重建方面頗有建樹(shù)。在我的實(shí)驗(yàn)室里，邁克爾一手設(shè)計(jì)了隨機(jī)圓錐形重建程序，在1986年完成了第一個(gè)完全不對(duì)稱(chēng)分子的三維重建，即大腸桿菌核糖體的大型亞單位。采用雅克·杜波謝的新型快速冷凍和玻璃化技術(shù)，我們很快就能重建水合、原生狀態(tài)的生物分子。從那時(shí)起，也就是20世紀(jì)80年代末，我們一直努力研究的技術(shù)逐漸走向了成功，盡管我們并不能確定單顆粒冷凍電鏡技術(shù)是否能夠在分辨率方面和產(chǎn)生原子結(jié)構(gòu)的傾向性方面與X射線晶體學(xué)競(jìng)爭(zhēng)。

1985年，在第一屆戈登3DEM會(huì)議上，以前和現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室成員在奧爾巴尼重聚。從左到右：馬林·范·海爾，讓·皮埃爾·布雷圖迪爾，阿德里安娜·弗爾肖爾，布魯斯·麥克伊文，約阿希姆·弗蘭克，泰瑞·瓦根克內(nèi)西，邁克爾·拉德馬赫，馬丁·凱塞爾

在1985年，我們的女兒瑪麗爾·貝絲出生，并成為了我們生活的中心。在她兩歲的時(shí)候，我收到了在英國(guó)劍橋的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MRC-LMB)休假的邀請(qǐng)，邀請(qǐng)者是理查德·亨德森。我們?cè)谛≈x爾福德村(Little Shelford)的國(guó)王小屋租了一個(gè)迷人的小房子，小屋后有一個(gè)花圃，女兒瑪麗爾會(huì)在那里與其他孩子玩耍。我們?cè)诳岛由蟿澊?，并在劍橋周?chē)利惖墓珗@里散步。在實(shí)驗(yàn)室里，我的大部分互動(dòng)對(duì)象都是趙華(Wah Chiu)，他是我第一次訪問(wèn)羅伯特·格雷瑟(Bob Glaeser)的實(shí)驗(yàn)室時(shí)遇到的學(xué)生，也和我在同一個(gè)時(shí)間段加入了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室。利用趙華收集到的響尾蛇毒素二維晶體數(shù)據(jù)，并在他的幫助下，我成功開(kāi)發(fā)了斑塊平均法，這是一種結(jié)構(gòu)重建的方法，利用了晶體小區(qū)間的"局部"平均數(shù)：基本上是應(yīng)用于晶體碎片的單顆粒方法。

在奧爾巴尼，我們重建的第一批分子是血藍(lán)蛋白，這是我們與法國(guó)的讓·拉米研究小組合作的延續(xù)。與范德比爾特大學(xué)的悉尼·弗萊舍(Sydney Fleischer)的另一項(xiàng)合作，使我第一次有機(jī)會(huì)研究魚(yú)尼丁(Ryanodine)受體的結(jié)構(gòu)。不過(guò)，關(guān)于核糖體結(jié)構(gòu)的工作仍然最讓我著迷。早在1990年，我就深信自己的實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)颂求w的結(jié)構(gòu)和功能作出重大貢獻(xiàn)，我開(kāi)始招募有核糖體背景的生物化學(xué)家。阿金德拉·阿格瓦爾(Rajendra Agrawal)，他在貝拿勒斯印度大學(xué)的緬甸實(shí)驗(yàn)室接受過(guò)培訓(xùn)，是第一個(gè)將"核糖體專(zhuān)家級(jí)"的知識(shí)帶入實(shí)驗(yàn)室的人。其他人后來(lái)也陸續(xù)地加入進(jìn)來(lái)，其中包括在柏林Knud Nierhaus實(shí)驗(yàn)室受訓(xùn)的克里斯蒂安·斯佩恩(Christian Spahn)。

三維電子顯微鏡戈登會(huì)議(3DEM)是促進(jìn)冷凍電鏡社區(qū)討論和傳播樣品制備、儀器和數(shù)據(jù)處理新技術(shù)的重要會(huì)議。該會(huì)議成立于1985年，最初每?jī)赡暾匍_(kāi)一次，后來(lái)改為現(xiàn)在的年度會(huì)議。我在1987年當(dāng)選為會(huì)議的副主席，隨后在1989年與David DeRosier一起當(dāng)選為主席，這標(biāo)志著單顆粒技術(shù)得到了整個(gè)學(xué)界的認(rèn)可。

1994年，馬克思普朗克醫(yī)學(xué)研究所的肯·霍姆斯和拉斯姆·施羅德為我提供了再次在德國(guó)工作的機(jī)會(huì)。通過(guò)我的研究生朱軍(音譯)和博士后帕維爾·潘切克的努力，在X射線結(jié)構(gòu)出來(lái)之前，我們得到了大腸桿菌核糖體的第一個(gè)高清密度圖。也是在海德堡，我寫(xiě)出了一本關(guān)于三維電子顯微鏡的書(shū)，該書(shū)于1996年出版，并在和2006年第二次出版。

1998年，我被任命為霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)的研究員，并在之后任職了19年，直到最近我才退休。在這些年里，我的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)開(kāi)發(fā)冷凍電鏡，并與幾個(gè)合作者實(shí)現(xiàn)非常具有挑戰(zhàn)性的生物項(xiàng)目，這都離不開(kāi)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的資助。也是在那個(gè)時(shí)候，Wadsworth中心與紐約市的八個(gè)機(jī)構(gòu)一起組成了一個(gè)結(jié)構(gòu)研究的聯(lián)盟，稱(chēng)為紐約結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心，該中心支持核磁共振、X射線晶體學(xué)和冷凍電鏡。這讓我能夠與哥倫比亞大學(xué)和紐約的其他領(lǐng)先機(jī)構(gòu)建立密切的聯(lián)系。

2005年3DEM戈登會(huì)議上的奧爾巴尼團(tuán)聚照片。從左到右：比爾·巴克斯特，馬丁·凱塞爾, 尼古拉斯·博伊塞，約阿希姆·弗蘭克，克里斯蒂安·斯帕恩，坦維爾·謝赫，帕維爾·佩內(nèi)澤克，阿金德拉·阿格拉瓦爾，劉錚(音譯)，何塞·瑪利亞·卡拉索

2000年，在我60歲生日的時(shí)候，我在倫斯勒維爾鎮(zhèn)(Rensselaerville)組織了一次會(huì)議，以延續(xù)安德斯·利爾哈斯(Anders Liljas)在瑞典發(fā)起的一系列關(guān)于翻譯功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)相關(guān)會(huì)議。會(huì)議的地點(diǎn)坐落在一個(gè)美麗的公園里，離奧爾巴尼有一個(gè)小時(shí)的車(chē)程。在這次會(huì)議期間，我和曼斯·艾倫伯格(M?ns Ehrenberg)花了不少時(shí)間，就核糖體結(jié)構(gòu)和功能的合作制定了具體計(jì)劃。這開(kāi)啟了一個(gè)令人振奮的研究旅程，并一直持續(xù)到現(xiàn)在，我們研究了啟動(dòng)、解碼、mRNA·tRNA轉(zhuǎn)位、終止和循環(huán)過(guò)程的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為關(guān)于翻譯機(jī)制的豐富知識(shí)庫(kù)做了很多的貢獻(xiàn)。

2017年夏天，我的家人在我們位于伯克希爾的阿爾福德的房子里。

上方，從左到右：霍西阿(澤)和他的兒子約拿，湯姆·墨菲(瑪麗爾的丈夫)，約阿希姆·弗蘭克

下方，從左到右：澤的妻子喬迪·布蘭特和他們的女兒羅絲，瑪麗爾，我的妻子卡羅爾·薩吉諾。

這時(shí)，我的孩子們都長(zhǎng)大成年了，有著自己的生活。我的兒子澤·弗蘭克在布朗大學(xué)主修神經(jīng)科學(xué)，并出于彈吉他的愛(ài)好成立了一個(gè)樂(lè)隊(duì)。他在音樂(lè)和藝術(shù)方面的特殊才能在少年時(shí)期就得到了體現(xiàn)。后來(lái)他搬到了紐約，開(kāi)始做網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)。通過(guò)一個(gè)偶然的途徑，他登上了TED演講的舞臺(tái)，隨后在一夜之間成為了一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)人物。最近，他任職于Buzzfeed，職位是媒體總監(jiān)。他現(xiàn)在與妻子和兩個(gè)孩子住在洛杉磯。我的女兒瑪麗爾·弗蘭克在巴納德學(xué)院主修語(yǔ)言學(xué)。她會(huì)說(shuō)多種語(yǔ)言，在日本教過(guò)英語(yǔ)，還曾為一個(gè)拉丁裔非營(yíng)利組織工作，現(xiàn)在是代碼學(xué)院的程序員和課程開(kāi)發(fā)人員。她已經(jīng)結(jié)婚了，并定居在紐約布魯克林。

[哥倫比亞大學(xué)]

紐約州，紐約市，美國(guó)

2008年，我加入了哥倫比亞大學(xué)，成為生物化學(xué)、分子生物物理學(xué)系和生物科學(xué)部門(mén)的職員。在30多年的奧爾巴尼牧區(qū)生活后，重返紐約是相當(dāng)令人興奮的，這為我提供了許多合作機(jī)會(huì)。我?guī)?lái)了HHMI的FEI Polara顯微鏡，連同后期購(gòu)買(mǎi)的FEI F20顯微鏡一起，在哥倫比亞大學(xué)建立了冷凍電鏡實(shí)驗(yàn)室。之后，我立刻被單分子FRET合作領(lǐng)域所吸引，這是由斯坦福大學(xué)Puglisi實(shí)驗(yàn)室的魯本·岡薩雷斯建立的領(lǐng)域。

在哥倫比亞大學(xué)的頭四年里，我們的冷凍電鏡項(xiàng)目進(jìn)展緩慢，因?yàn)樗匀皇艿接涗浗橘|(zhì)的限制。當(dāng)直接電子檢測(cè)相機(jī)被商業(yè)化后，發(fā)生了翻天覆地的變化，冷凍電鏡領(lǐng)域被徹底改變了，也為我的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)辟了許多新的合作途徑，特別是在通道結(jié)構(gòu)方面。最近，哥倫比亞大學(xué)建立了一個(gè)冷凍電鏡設(shè)施，由于捐助者的慷慨，以及和三個(gè)校區(qū)院長(zhǎng)的合作，哥倫比亞大學(xué)現(xiàn)在正朝著成為世界領(lǐng)先的冷凍電鏡中心之一前進(jìn)。

看著新技術(shù)在整個(gè)工業(yè)化領(lǐng)域廣泛傳播，我十分振奮，單顆粒冷凍電鏡現(xiàn)在能夠填補(bǔ)分子結(jié)構(gòu)研究的巨大空白：膜結(jié)合的通道和受體，以及許多高柔性的大分子結(jié)構(gòu)都可以被解析。冷凍電鏡技術(shù)有望在未來(lái)幾年大大增加人類(lèi)醫(yī)學(xué)的成就。

[末尾致謝]

諾貝爾頒獎(jiǎng)典禮，斯德哥爾摩市，瑞典

在過(guò)去五年中，一些實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)解析了許多近原子結(jié)構(gòu)，這引起了全世界對(duì)冷凍電鏡領(lǐng)域之前數(shù)十年工作的關(guān)注，這些工作不僅僅歸功于受到表彰的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和他們的小組，更是整個(gè)冷凍電鏡領(lǐng)域的成就。因?yàn)閺拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，自1990年冷凍電鏡技術(shù)開(kāi)始得到認(rèn)可，許多團(tuán)體在各個(gè)方面都做出了重大貢獻(xiàn)：樣品制備、數(shù)據(jù)收集自動(dòng)化、計(jì)算、驗(yàn)證和原子模型的建立。這些貢獻(xiàn)不勝枚舉。

在走到這一步的整個(gè)過(guò)程中，我受到了不少眷顧。我想對(duì)我的家人們表示感謝，特別是我的妻子卡羅爾，感謝她/他們?cè)诼L(zhǎng)時(shí)間里的穩(wěn)定支持。我的妹妹英格伯格接受過(guò)生物化學(xué)方面的培訓(xùn)，她是我家庭中唯一能夠理解我工作內(nèi)容的人。在我的朋友中，我需要特別指出馬丁·凱瑟(Martin Kessel)對(duì)我早期工作的鼓勵(lì)和支持，以及何塞·瑪麗亞·卡拉索(Jose-Maria Carazo)對(duì)我一路走來(lái)的許多啟發(fā)。

最后，得到諾貝爾獎(jiǎng)的認(rèn)可令我激動(dòng)，且受寵若驚。用阿爾弗雷德·諾貝爾遺囑中的話來(lái)說(shuō)，諾貝爾獎(jiǎng)的得主將是那些造福全人類(lèi)的終身成就者，只有少數(shù)人能夠達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。那些先行者，歐內(nèi)斯特·盧瑟福、萊納斯·鮑林、瑪麗·居里...他們的成就是難以逾越的。于我而言，一夜之間，我的人生被完整地定義了，或者說(shuō)，許多與我未曾謀面的人能夠了解我的經(jīng)歷，聽(tīng)我用自己的言語(yǔ)講述我的故事，我感激這個(gè)機(jī)會(huì)。

引用資料

1. Frank, J. (1975). “Averaging of low exposure electron micrographs of non-periodic objects.” Ultramicroscopy 1, 159–162.

2. Frank, J., Shimkin, B., and Dowse, H. (1981). “SPIDER — A modular software system for image processing.” Ultramicroscopy 6, 343–358.

3. Frank, J. (2006). Three-Dimensional Electron Microscopy of Macromolecular Assemblies (New York, Oxford U. Press).

4. Frank, J. (2015). “Generalized single-particle cryo-EM – a historical perspective.”

再次祝愿Joachim Frank教授生日快樂(lè)！

水木未來(lái)丨視界 iss. 28

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"Joachim Frank?Biographical"