楊先碧

從最微小的分子細(xì)節(jié)來研究活細(xì)胞，在前人看來這簡直是不可能的事情。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。

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，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，所以無法將光線完全聚焦到非常小的焦點上。因此一直以來，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡無法分辨兩個距離非常近的物體，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)到納米級的分辨率，但通電和樣品處理過程容易破壞樣品，因此，無法觀察到活生生的生物分子。

來自美國的科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納，還有來自德國的科學(xué)家斯特凡·赫爾突破了這個極限，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。他們因此獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎。

光波的限制

早在公元前1世紀(jì)，人們就已發(fā)現(xiàn)通過球形透明物體去觀察微小物體時可以使其放大成像。后來逐漸對球形玻璃表面能使物體放大成像的規(guī)律有了認(rèn)識。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，英國生物學(xué)家胡克發(fā)明了比較類似我們現(xiàn)在學(xué)校實驗室里用的顯微鏡，并通過這臺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，大大推動了生物學(xué)的發(fā)展。

自從顯微鏡發(fā)明以來，科學(xué)家就不斷對它進(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，這樣就能透過細(xì)胞膜而看到細(xì)胞內(nèi)部的構(gòu)造。1873年，德國顯微鏡學(xué)家恩斯特·阿貝通過計算發(fā)現(xiàn)， 由于光波相互干擾的原因，光學(xué)顯微鏡不能無限度地放大微小物質(zhì)，最多只能“看到”大小為光波波長一半的物質(zhì)，即尺寸不超過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，因為分子和原子的尺寸大多在200納米以下。也就是說，光學(xué)顯微鏡似乎難以“看到”分子和原子所活動的納米世界了。打個比方來說，如果生命是一座城市，那么細(xì)胞就是城市中的每一個房間。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)研究越來越多地從分子和原子的層面來揭示自然界物質(zhì)的變化規(guī)律，因此，科學(xué)家開始發(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候，光學(xué)顯微鏡只能躲在實驗室的角落里，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”。因為電子顯微鏡不能研究活物，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，生物學(xué)家就難以研究分子在活細(xì)胞中的正?；顒印?/p>

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)胞中分子的動態(tài)活動。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)家錢永健那里學(xué)來的方法：把水母的熒光基因轉(zhuǎn)移到其他動物體內(nèi)，培育出可以讓細(xì)胞中的生物分子發(fā)光的轉(zhuǎn)基因動物。

而赫爾則發(fā)明出“熒光手電”來解決如何觀測熒光的問題。1992年，赫爾在芬蘭土爾庫大學(xué)做博士后研究。一個星期六早晨，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，突然靈光一閃，赫爾腦海里浮現(xiàn)了一個想法：如果使用一種合適的激光，僅激發(fā)一個熒光生物分子，然后再用一個面包圈樣的光源抑制那個分子周圍的熒光強(qiáng)度，這樣就只有一個分子并被觀察到了。有了這個想法后，赫爾立即行動，沖進(jìn)實驗室進(jìn)行相關(guān)實驗。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？因為在周圍環(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。有一個很好的例子可以說明這個問題：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，這是因為光線相互干擾，“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)行開關(guān)。莫納可以讓單個蛋白質(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。有一段時間，雖然他暫時離開了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，但對“如何看清單個生物分子在細(xì)胞內(nèi)活動”的問題一直在他頭腦中縈繞。當(dāng)時，莫納和赫爾已經(jīng)利用熒光技術(shù)開發(fā)出了能看清單個生物分子的顯微鏡。當(dāng)他在一個寒冷的夜晚散步時，一個新的想法來襲：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)來突破這個極限？例如可以發(fā)出不同熒光的分子。受到莫納所開發(fā)的熒光蛋白的啟發(fā)，貝齊格提出了一種“拼圖”的思路。這個思路就是用顯微鏡對發(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，貝齊格意識到，熒光蛋白的這種特征能幫助他實現(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間發(fā)射熒光就能解決問題。只用了一年時間，貝齊格就實現(xiàn)了這項技術(shù)，從而獲得了突破。

活生生的納米世界

諾貝爾化學(xué)獎評委會認(rèn)為，“理論上講，如今沒有什么物質(zhì)結(jié)構(gòu)小得無法研究。”在電子顯微鏡時代，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)我們在觀察它們的時候，尺寸為納米數(shù)量級的生物分子按照它們原本的“生活方式”繼續(xù)活動，似乎絲毫沒有覺察到我們的存在。

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程中的細(xì)節(jié)，為研究疾病機(jī)理和開發(fā)藥物提供了一個新的視野。我們將是這些成果的最大受益者，因為這些成果可以更好地維護(hù)我們的健康。比如，人會因為細(xì)胞的凋亡而生病、衰老或死亡。細(xì)胞凋亡有很多原因，其中有一個涉及細(xì)胞色素C分子，它實際上是一個大分子里有一個血紅素，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。如果我們可以通過超分辨率光學(xué)顯微鏡來監(jiān)測細(xì)胞色素C分子在細(xì)胞中的活動，那么我們就可以想辦法來控制它的活動，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，未來醫(yī)學(xué)專家可以對我們的健康進(jìn)行“精細(xì)”護(hù)理和治療。未來醫(yī)學(xué)專家可以發(fā)現(xiàn)我們的身體中哪些細(xì)胞哪些分子出了問題，然后有針對性地在這個地方施放藥物，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)獎獲獎?wù)吆喗椋?/p>

埃里克·貝齊格，1960年生于美國密歇根州安娜堡市，美國國籍。他畢業(yè)于美國加州理工學(xué)院，1988年獲得美國康奈爾大學(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，德國國籍。他于1981年進(jìn)入德國海德堡大學(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癌癥研究中心高分辨率光學(xué)顯微技術(shù)部門的主任。

威廉·莫納，1953年生于美國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，他是美國斯坦福大學(xué)的教授。