走近諾貝爾獎（二）“看清”活生生的生物分子

楊先碧

從最微小的分子細節(jié)來研究活細胞，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，最近科學家研制的“眼神超好”的超分辨率熒光顯微鏡讓我們走進了納米世界。他們的這一突破性工作獲得了2014年的諾貝爾化學獎。

早在1665年，羅伯特·胡克用自制的顯微鏡發(fā)現了生命的基本組成單位——細胞。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，細胞看似十分微小，其中還包含更加細小的“零件”——生物分子。那么，我們如何能夠看清細胞內形形色色的生物分子，從而了解這些分子在細胞內的活動情況呢？

眾所周知，光學顯微鏡是生物學家們深入了解細胞和組織內部微小結構的一雙眼睛。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)的光學顯微鏡無法分辨兩個距離非常近的物體，光學顯微鏡的最大分辨率只能達到橫向200納米，縱向600納米。而電子顯微鏡雖然可以達到納米級的分辨率，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。

來自美國的科學家埃里克·貝齊格、威廉·莫納，還有來自德國的科學家斯特凡·赫爾突破了這個極限，使光學顯微技術進入了納米尺度，從而使科學家們能夠觀察到活細胞中不同分子在納米尺度上的運動。他們因此獲得2014年諾貝爾化學獎。

光波的限制

早在公元前1世紀，人們就已發(fā)現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)律有了認識。1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經造出類似顯微鏡的放大儀器。1665年前后，英國生物學家胡克發(fā)明了比較類似我們現在學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格狀的結構，胡克稱之為“細胞”。這是人類歷史上最偉大的發(fā)現之一，大大推動了生物學的發(fā)展。

自從顯微鏡發(fā)明以來，科學家就不斷對它進行改進，期待獲得更大的放大倍數和更高的分辨精度，這樣就能透過細胞膜而看到細胞內部的構造。1873年，德國顯微鏡學家恩斯特·阿貝通過計算發(fā)現， 由于光波相互干擾的原因，光學顯微鏡不能無限度地放大微小物質，最多只能“看到”大小為光波波長一半的物質，即尺寸不超過200納米的物質。這就是有名的“阿貝原則”，200納米也被稱為光學顯微鏡的“繞射極限”。

“阿貝原則”公布之后，科學家感到十分沮喪，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，那么細胞就是城市中的每一個房間。我們肉眼只能看到生命“城市”和器官、組織等“建筑”，光學顯微鏡只能看到細胞“房間”，卻難以看到“房間”內的物品。

由于科學研究越來越多地從分子和原子的層面來揭示自然界物質的變化規(guī)律，因此，科學家開始發(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，是光學顯微鏡精度的1000倍！

讓分子發(fā)光

正當電子顯微鏡熱熱鬧鬧地大展身手的時候，光學顯微鏡只能躲在實驗室的角落里，默默地忍受被科學家們冷落的命運。難道光學顯微鏡真的就這樣成了“過氣明星”嗎？分子生物學的發(fā)展給予了光學顯微鏡新的機遇。分子生物學家很快就發(fā)現，在物理學和化學研究中得心應手的電子顯微鏡，到了分子生物學的研究中往往有些“水土不服”。因為電子顯微鏡不能研究活物，它們必須把細胞“殘忍地殺死”后才能進行觀察。這樣一來，生物學家就難以研究分子在活細胞中的正?；顒?。

用電子顯微鏡只能研究細胞內的靜態(tài)組成，而不能研究細胞中分子的動態(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家想到了，那就是不再用外來的光觀察細胞，而是讓細胞中的分子自身發(fā)出熒光。如何讓細胞中的分子發(fā)出熒光呢？莫納采用從他的老師——華裔科學家錢永健那里學來的方法：把水母的熒光基因轉移到其他動物體內，培育出可以讓細胞中的生物分子發(fā)光的轉基因動物。

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光學量子理論的書，突然靈光一閃，赫爾腦海里浮現了一個想法：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，沖進實驗室進行相關實驗。結果，赫爾研制出俗稱“熒光手電”的顯微鏡，其學術名稱是“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。如果夜晚遠處只有一盞燈，我們可以很好地分辨出這盞燈。如果夜晚遠處有一大片燈，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)現綠色熒光蛋白能根據需要進行開關。莫納可以讓單個蛋白質分子根據需要發(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90年代，貝齊格在顯微光學領域已經小有成就了。有一段時間，雖然他暫時離開了學術機構，但對“如何看清單個生物分子在細胞內活動”的問題一直在他頭腦中縈繞。當時，莫納和赫爾已經利用熒光技術開發(fā)出了能看清單個生物分子的顯微鏡。當他在一個寒冷的夜晚散步時，一個新的想法來襲：細胞中的分子畢竟不是單獨游蕩的幽靈，是否可以用分子的不同性質來突破這個極限？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行分別照相，最后將不同顏色的照片進行重疊。1995年，貝齊格發(fā)表了他的想法。但此后，他離開學術機構到他父親的公司工作。直到多年后，突然有一天，對科學的渴望再次讓他返回了科學界。

真正的突破發(fā)生在2005年，當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，貝齊格就實現了這項技術，從而獲得了突破。

活生生的納米世界

諾貝爾化學獎評委會認為，“理論上講，如今沒有什么物質結構小得無法研究。”在電子顯微鏡時代，納米世界就像沙漠一樣一片死寂，其中的所有物質靜靜地躺在那里。然而，超分辨率光學顯微鏡讓我們可以看到活生生的納米世界。當我們在觀察它們的時候，尺寸為納米數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。

有了超分辨率光學顯微鏡，科學家就可以從分子層面看到生命生老病死過程中的細節(jié)，為研究疾病機理和開發(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我們的健康。比如，人會因為細胞的凋亡而生病、衰老或死亡。細胞凋亡有很多原因，其中有一個涉及細胞色素C分子，它實際上是一個大分子里有一個血紅素，細胞色素C從線粒體釋放到細胞漿，可以觸發(fā)細胞凋亡。如果我們可以通過超分辨率光學顯微鏡來監(jiān)測細胞色素C分子在細胞中的活動，那么我們就可以想辦法來控制它的活動，以此消除或減緩細胞凋亡的歷程。

隨著超分辨率光學顯微鏡的推廣和應用，未來醫(yī)學專家可以對我們的健康進行“精細”護理和治療。未來醫(yī)學專家可以發(fā)現我們的身體中哪些細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健康的細胞和組織不受到藥物的傷害。

2014年諾貝爾化學獎獲獎者簡介：

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)于美國加州理工學院，1988年獲得美國康奈爾大學博士學位。目前，他是霍華德·休斯醫(yī)學研究所的研究員。

史蒂芬·赫爾，1962年生于羅馬尼亞阿拉德市，德國國籍。他于1981年進入德國海德堡大學學習，并于1990年獲得海德堡大學物理學博士學位。目前，他是位于海德堡的德國癌癥研究中心高分辨率光學顯微技術部門的主任。

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。1982年，他獲得康奈爾大學物理學博士學位。目前，他是美國斯坦福大學的教授。