楊先碧

從最微小的分子細(xì)節(jié)來(lái)研究活細(xì)胞，在前人看來(lái)這簡(jiǎn)直是不可能的事情。要“看清”這些活生生的生物分子，僅僅靠我們的一雙肉眼是不行的，最近科學(xué)家研制的“眼神超好”的超分辨率熒光顯微鏡讓我們走進(jìn)了納米世界。他們的這一突破性工作獲得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

早在1665年，羅伯特·胡克用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了生命的基本組成單位——細(xì)胞。從此，顯微鏡讓人們的視野可以拓展到肉眼看不到的微小世界。其實(shí)，細(xì)胞看似十分微小，其中還包含更加細(xì)小的“零件”——生物分子。那么，我們?nèi)绾文軌蚩辞寮?xì)胞內(nèi)形形色色的生物分子，從而了解這些分子在細(xì)胞內(nèi)的活動(dòng)情況呢？

眾所周知，光學(xué)顯微鏡是生物學(xué)家們深入了解細(xì)胞和組織內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)的一雙眼睛。但是，由于光線具有衍射特性，所以無(wú)法將光線完全聚焦到非常小的焦點(diǎn)上。因此一直以來(lái)，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡無(wú)法分辨兩個(gè)距離非常近的物體，光學(xué)顯微鏡的最大分辨率只能達(dá)到橫向200納米，縱向600納米。而電子顯微鏡雖然可以達(dá)到納米級(jí)的分辨率，但通電和樣品處理過(guò)程容易破壞樣品，因此，無(wú)法觀察到活生生的生物分子。

來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納，還有來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家斯特凡·赫爾突破了這個(gè)極限，使光學(xué)顯微技術(shù)進(jìn)入了納米尺度，從而使科學(xué)家們能夠觀察到活細(xì)胞中不同分子在納米尺度上的運(yùn)動(dòng)。他們因此獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

光波的限制

早在公元前1世紀(jì)，人們就已發(fā)現(xiàn)通過(guò)球形透明物體去觀察微小物體時(shí)可以使其放大成像。后來(lái)逐漸對(duì)球形玻璃表面能使物體放大成像的規(guī)律有了認(rèn)識(shí)。1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經(jīng)造出類似顯微鏡的放大儀器。1665年前后，英國(guó)生物學(xué)家胡克發(fā)明了比較類似我們現(xiàn)在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室里用的顯微鏡，并通過(guò)這臺(tái)顯微鏡看到了軟木中網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，胡克稱之為“細(xì)胞”。這是人類歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，大大推動(dòng)了生物學(xué)的發(fā)展。

自從顯微鏡發(fā)明以來(lái)，科學(xué)家就不斷對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，期待獲得更大的放大倍數(shù)和更高的分辨精度，這樣就能透過(guò)細(xì)胞膜而看到細(xì)胞內(nèi)部的構(gòu)造。1873年，德國(guó)顯微鏡學(xué)家恩斯特·阿貝通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)， 由于光波相互干擾的原因，光學(xué)顯微鏡不能無(wú)限度地放大微小物質(zhì)，最多只能“看到”大小為光波波長(zhǎng)一半的物質(zhì)，即尺寸不超過(guò)200納米的物質(zhì)。這就是有名的“阿貝原則”，200納米也被稱為光學(xué)顯微鏡的“繞射極限”。

“阿貝原則”公布之后，科學(xué)家感到十分沮喪，因?yàn)榉肿雍驮拥某叽绱蠖嘣?00納米以下。也就是說(shuō)，光學(xué)顯微鏡似乎難以“看到”分子和原子所活動(dòng)的納米世界了。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，如果生命是一座城市，那么細(xì)胞就是城市中的每一個(gè)房間。我們?nèi)庋壑荒芸吹缴俺鞘小焙推鞴?、組織等“建筑”，光學(xué)顯微鏡只能看到細(xì)胞“房間”，卻難以看到“房間”內(nèi)的物品。

由于科學(xué)研究越來(lái)越多地從分子和原子的層面來(lái)揭示自然界物質(zhì)的變化規(guī)律，因此，科學(xué)家開(kāi)始發(fā)明多種能“看清”納米世界的電子顯微鏡。這些顯微鏡居然可以看到最小尺寸為0.2納米的原子，是光學(xué)顯微鏡精度的1000倍！

讓分子發(fā)光

正當(dāng)電子顯微鏡熱熱鬧鬧地大展身手的時(shí)候，光學(xué)顯微鏡只能躲在實(shí)驗(yàn)室的角落里，默默地忍受被科學(xué)家們冷落的命運(yùn)。難道光學(xué)顯微鏡真的就這樣成了“過(guò)氣明星”嗎？分子生物學(xué)的發(fā)展給予了光學(xué)顯微鏡新的機(jī)遇。分子生物學(xué)家很快就發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)和化學(xué)研究中得心應(yīng)手的電子顯微鏡，到了分子生物學(xué)的研究中往往有些“水土不服”。因?yàn)殡娮语@微鏡不能研究活物，它們必須把細(xì)胞“殘忍地殺死”后才能進(jìn)行觀察。這樣一來(lái)，生物學(xué)家就難以研究分子在活細(xì)胞中的正常活動(dòng)。

用電子顯微鏡只能研究細(xì)胞內(nèi)的靜態(tài)組成，而不能研究細(xì)胞中分子的動(dòng)態(tài)活動(dòng)。顯然，按照傳統(tǒng)的方法繼續(xù)研究，那就是“鉆牛角尖”了，必須換種思路！這種新思路還真被科學(xué)家想到了，那就是不再用外來(lái)的光觀察細(xì)胞，而是讓細(xì)胞中的分子自身發(fā)出熒光。如何讓細(xì)胞中的分子發(fā)出熒光呢？莫納采用從他的老師——華裔科學(xué)家錢(qián)永健那里學(xué)來(lái)的方法：把水母的熒光基因轉(zhuǎn)移到其他動(dòng)物體內(nèi)，培育出可以讓細(xì)胞中的生物分子發(fā)光的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。

而赫爾則發(fā)明出“熒光手電”來(lái)解決如何觀測(cè)熒光的問(wèn)題。1992年，赫爾在芬蘭土爾庫(kù)大學(xué)做博士后研究。一個(gè)星期六早晨，赫爾正躺在研究生公寓的床上看一本有關(guān)光學(xué)量子理論的書(shū)，突然靈光一閃，赫爾腦海里浮現(xiàn)了一個(gè)想法：如果使用一種合適的激光，僅激發(fā)一個(gè)熒光生物分子，然后再用一個(gè)面包圈樣的光源抑制那個(gè)分子周?chē)臒晒鈴?qiáng)度，這樣就只有一個(gè)分子并被觀察到了。有了這個(gè)想法后，赫爾立即行動(dòng)，沖進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，赫爾研制出俗稱“熒光手電”的顯微鏡，其學(xué)術(shù)名稱是“受激發(fā)射損耗顯微鏡”。

為何發(fā)出熒光的生物分子就可以讓光學(xué)顯微鏡突破極限呢？因?yàn)樵谥車(chē)h(huán)境黑暗的情況下，顯微鏡就可以看到細(xì)胞中發(fā)光的分子。有一個(gè)很好的例子可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：在明亮的白天，我們很難看到幾百米外的一盞燈；如果是在漆黑的夜晚，這盞燈亮起來(lái)之后，我們就可以看到它了。如果夜晚遠(yuǎn)處只有一盞燈，我們可以很好地分辨出這盞燈。如果夜晚遠(yuǎn)處有一大片燈，甚至有一座明亮的城市，我們就很難分辨出其中的一盞燈，這是因?yàn)楣饩€相互干擾，“阿貝原則”又起作用了。1997年，莫納發(fā)現(xiàn)綠色熒光蛋白能根據(jù)需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)。莫納可以讓單個(gè)蛋白質(zhì)分子根據(jù)需要發(fā)出熒光，這樣就可以利用黑暗的背景和發(fā)光的蛋白質(zhì)分子成功地突破“阿貝極限”。

分子“拼圖”

和莫納一樣，貝齊格也是一直希望突破阿貝極限。20世紀(jì)90年代，貝齊格在顯微光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)小有成就了。有一段時(shí)間，雖然他暫時(shí)離開(kāi)了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，但對(duì)“如何看清單個(gè)生物分子在細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)”的問(wèn)題一直在他頭腦中縈繞。當(dāng)時(shí)，莫納和赫爾已經(jīng)利用熒光技術(shù)開(kāi)發(fā)出了能看清單個(gè)生物分子的顯微鏡。當(dāng)他在一個(gè)寒冷的夜晚散步時(shí)，一個(gè)新的想法來(lái)襲：細(xì)胞中的分子畢竟不是單獨(dú)游蕩的幽靈，是否可以用分子的不同性質(zhì)來(lái)突破這個(gè)極限？例如可以發(fā)出不同熒光的分子。受到莫納所開(kāi)發(fā)的熒光蛋白的啟發(fā)，貝齊格提出了一種“拼圖”的思路。這個(gè)思路就是用顯微鏡對(duì)發(fā)出不同顏色的熒光生物分子進(jìn)行分別照相，最后將不同顏色的照片進(jìn)行重疊。1995年，貝齊格發(fā)表了他的想法。但此后，他離開(kāi)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)到他父親的公司工作。直到多年后，突然有一天，對(duì)科學(xué)的渴望再次讓他返回了科學(xué)界。

真正的突破發(fā)生在2005年，當(dāng)他了解到莫納能隨意控制熒光蛋白的發(fā)光時(shí)，貝齊格意識(shí)到，熒光蛋白的這種特征能幫助他實(shí)現(xiàn)10年前的想法。這些熒光分子不必要發(fā)射不同顏色，它們只需要在不同時(shí)間發(fā)射熒光就能解決問(wèn)題。只用了一年時(shí)間，貝齊格就實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)，從而獲得了突破。

活生生的納米世界

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)認(rèn)為，“理論上講，如今沒(méi)有什么物質(zhì)結(jié)構(gòu)小得無(wú)法研究。”在電子顯微鏡時(shí)代，納米世界就像沙漠一樣一片死寂，其中的所有物質(zhì)靜靜地躺在那里。然而，超分辨率光學(xué)顯微鏡讓我們可以看到活生生的納米世界。當(dāng)我們?cè)谟^察它們的時(shí)候，尺寸為納米數(shù)量級(jí)的生物分子按照它們?cè)镜摹吧罘绞健崩^續(xù)活動(dòng)，似乎絲毫沒(méi)有覺(jué)察到我們的存在。

有了超分辨率光學(xué)顯微鏡，科學(xué)家就可以從分子層面看到生命生老病死過(guò)程中的細(xì)節(jié)，為研究疾病機(jī)理和開(kāi)發(fā)藥物提供了一個(gè)新的視野。我們將是這些成果的最大受益者，因?yàn)檫@些成果可以更好地維護(hù)我們的健康。比如，人會(huì)因?yàn)榧?xì)胞的凋亡而生病、衰老或死亡。細(xì)胞凋亡有很多原因，其中有一個(gè)涉及細(xì)胞色素C分子，它實(shí)際上是一個(gè)大分子里有一個(gè)血紅素，細(xì)胞色素C從線粒體釋放到細(xì)胞漿，可以觸發(fā)細(xì)胞凋亡。如果我們可以通過(guò)超分辨率光學(xué)顯微鏡來(lái)監(jiān)測(cè)細(xì)胞色素C分子在細(xì)胞中的活動(dòng)，那么我們就可以想辦法來(lái)控制它的活動(dòng)，以此消除或減緩細(xì)胞凋亡的歷程。

隨著超分辨率光學(xué)顯微鏡的推廣和應(yīng)用，未來(lái)醫(yī)學(xué)專家可以對(duì)我們的健康進(jìn)行“精細(xì)”護(hù)理和治療。未來(lái)醫(yī)學(xué)專家可以發(fā)現(xiàn)我們的身體中哪些細(xì)胞哪些分子出了問(wèn)題，然后有針對(duì)性地在這個(gè)地方施放藥物，這樣不僅可以治療疾病，還可以最大限度地保護(hù)健康的細(xì)胞和組織不受到藥物的傷害。

2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介：

埃里克·貝齊格，1960年生于美國(guó)密歇根州安娜堡市，美國(guó)國(guó)籍。他畢業(yè)于美國(guó)加州理工學(xué)院，1988年獲得美國(guó)康奈爾大學(xué)博士學(xué)位。目前，他是霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員。

史蒂芬·赫爾，1962年生于羅馬尼亞阿拉德市，德國(guó)國(guó)籍。他于1981年進(jìn)入德國(guó)海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)，并于1990年獲得海德堡大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。目前，他是位于海德堡的德國(guó)癌癥研究中心高分辨率光學(xué)顯微技術(shù)部門(mén)的主任。

威廉·莫納，1953年生于美國(guó)加利福尼亞州普萊森頓。1975年，他畢業(yè)于圣路易斯華盛頓大學(xué)。1982年，他獲得康奈爾大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。目前，他是美國(guó)斯坦福大學(xué)的教授。