“看清”活生生的生物分子

騰月

1665年，羅伯特·胡克用自制的光線顯微鏡發(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。

細(xì)胞看似十分微小，其實(shí)還包含更加細(xì)小的“零件”，科學(xué)家得借助“眼神超好”的超分辨率顯微鏡才能看到它們。在這些科學(xué)家中，有三個(gè)杰出代表獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們分別是來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家埃里克·白茲格、威廉姆·艾斯科·莫爾納爾，以及來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家斯特凡·赫爾。

光波的限制

早在公元前1世紀(jì)，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這么一個(gè)現(xiàn)象：通過(guò)球形透明物體去觀察微小的物體時(shí)，可以使其放大成像。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)明了類似現(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。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”光波波長(zhǎng)一半的物質(zhì)，即尺寸不小于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。

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1 000倍！

讓分子發(fā)光

正當(dāng)電子顯微鏡大展身手的時(shí)候，分子生物學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：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)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?；顒?dòng)。

于是，生物學(xué)家就得重新考慮如何研制出精度超越200納米的光學(xué)顯微鏡。顯然，按照傳統(tǒng)的方法繼續(xù)研究，那就是“鉆牛角尖”了，到了必須換種思路來(lái)突破“繞射極限”。這種新思路還真被科學(xué)家想到了，那就是不再用外來(lái)的光源觀察細(xì)胞，而是讓細(xì)胞中的分子發(fā)出熒光來(lái)觀察它們。因此，目前生物學(xué)家所用的超分辨率顯微鏡也叫熒光顯微鏡。

如何讓細(xì)胞中的分子發(fā)出熒光呢？赫爾發(fā)明了熒光手電來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。赫爾先利用成熟的分子染色技術(shù)給細(xì)胞注射熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)像染料一樣沾染到細(xì)胞中的生物大分子上。然后，利用熒光手電發(fā)出極細(xì)的激光束照射生物大分子，大分子上的熒光物質(zhì)被激發(fā)而發(fā)出熒光，就像是生物大分子本身發(fā)光一樣。

突破極限

為何發(fā)出熒光的細(xì)胞就可以讓光學(xué)顯微鏡突破極限呢？因?yàn)樵谥車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泡;如果是在漆黑的夜晚，這盞燈泡亮起來(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。因此，赫爾得想辦法消除光線干擾。他改進(jìn)熒光手電，讓它可以發(fā)出一束激光讓生物分子發(fā)光，再用另一束激光消除其他熒光，通過(guò)兩束激光交替掃描細(xì)胞，就可以“看清”生物中的大分子了。

莫爾納爾和白茲格進(jìn)一步想出了一些辦法，消除或?yàn)V掉細(xì)胞中多余的熒光，結(jié)果讓顯微鏡居然成功地“看到”單個(gè)的生物分子，這被稱為單分子熒光顯微鏡。

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)都靜靜地躺在那里。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，所有的生物分子按照它們?cè)镜摹吧罘绞健崩^續(xù)活動(dòng)，就像顯微鏡、熒光染料、激光這些東西不存在一樣。

有了超分辨光學(xué)顯微鏡，科學(xué)家就可以從分子層面看到生命生老病死所帶來(lái)的變化，為研究疾病機(jī)理和開發(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。

隨著超分辨光學(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)我們的身體中的哪些細(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。