2014 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) ：透視生命體分子運(yùn)動(dòng)

于達(dá)維

10 月 8 日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，美國(guó)科學(xué)家埃里克·貝茨格和威廉·莫爾納，德國(guó)科學(xué)家斯蒂凡·黑爾獲得 2014 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們分別為超分辨率熒光顯微技術(shù)（fluorescence microscopy）的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，光學(xué)顯微技術(shù)一直被認(rèn)為存在一個(gè)極限，就是分辨率無(wú)法小于波長(zhǎng)的一半，由于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍是 400 納米到 700 納米，200 納米則成為一個(gè)難以突破的極限，而對(duì)于大多數(shù)讓科學(xué)家感興趣的生物大分子來(lái)說(shuō)，這些分子都比 200 納米要小，無(wú)法被直接觀察到。

就像可以看到一個(gè)城市的建筑，但是不能看到人們的活動(dòng)。

這一極限，是 1873 年德國(guó)物理學(xué)家恩斯特·阿貝提出的，他認(rèn)為由于可見(jiàn)光會(huì)發(fā)生衍射，因而光束不能無(wú)限聚焦，能聚焦的最小直徑是光波波長(zhǎng)的二分之一，也就是 200 納米。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，200 納米的“阿貝極限”一直被認(rèn)為是光學(xué)顯微鏡理論上的分辨率極限，小于這個(gè)尺寸的物體必須借助電子顯微鏡或隧道掃描顯微鏡才能觀察。但是對(duì)生物分子來(lái)說(shuō)，這不僅會(huì)造成破壞，而且無(wú)法對(duì)所需要觀察的分子進(jìn)行追蹤。

這一極限在被提出后，100 多年沒(méi)有人能夠突破，甚至很多人把他當(dāng)作一個(gè)物理定律理所當(dāng)然的接受。但是也有很多人，一直無(wú)法放棄突破這一極限的嘗試。而這次三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，就是天才般的繞過(guò)了這個(gè)極限。

挑戰(zhàn)“極限”的黑爾

1990 年在德國(guó)海德堡大學(xué)獲得博士學(xué)位后，黑爾就想要挑戰(zhàn)這個(gè)根深蒂固上百年的極限，但是德國(guó)的主流科學(xué)家都對(duì)他的想法持懷疑態(tài)度。

2000 年，斯蒂凡·黑爾提出了受激發(fā)光消除技術(shù)（stimulated emission depletion ，STED），就是同時(shí)用兩束激光照射分子其中一束使其閃光，一束激光去抵消分子的發(fā)光，但是留下一個(gè)納米量級(jí)的窗口，這樣只有這個(gè)窗口中的分子發(fā)光，這樣就是一納米一納米的掃描生物分子，得到一張分辨率超越阿貝極限的圖像。

憑借發(fā)明突破“阿貝極限”的光學(xué)顯微鏡，當(dāng)時(shí)已經(jīng)身為德國(guó)馬克斯 - 普朗克學(xué)會(huì)生物物理化學(xué)研究所所長(zhǎng)的斯蒂凡·黑爾獲得了 2006 年度德國(guó)“未來(lái)獎(jiǎng)”。

一年一度的“未來(lái)獎(jiǎng)”是德國(guó)最重要的科學(xué)獎(jiǎng)。黑爾在接過(guò)德國(guó)總統(tǒng)科勒頒發(fā)的獎(jiǎng)杯時(shí)表示，將把所獲得的 25 萬(wàn)歐元獎(jiǎng)金作為一個(gè)科技公司的啟動(dòng)資金，為將來(lái)研究更好的顯微鏡奠定基礎(chǔ)。

奠基單分子顯微技術(shù)

埃里克·貝茨格和威廉·莫爾納雖然各自獨(dú)立研究，但他們是同一種的方法的奠基人，這種方法被稱(chēng)為單分子顯微技術(shù)。

莫爾納的研究，始于他在 IBM 研究院的工作，1989 年，他成為世界上第一測(cè)量單個(gè)分子光吸收特性的科學(xué)家。8 年后，他加入了加州大學(xué)圣迭戈分校錢(qián)永健的團(tuán)隊(duì)（2008 年，錢(qián)永健因綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)與下村修、馬丁·查爾菲獲得諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)）。

發(fā)現(xiàn)有了一種綠色熒光蛋白，其發(fā)光與否可以人為調(diào)節(jié)。當(dāng)他用 488 納米波長(zhǎng)的光線(xiàn)照射時(shí)，這種熒光蛋白只發(fā)一下光就熄滅，再也無(wú)法發(fā)光，只有用 405 納米波長(zhǎng)的光照射它，才能重新激發(fā)。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，吸引了一大批科學(xué)家的注意，并在此后發(fā)現(xiàn)了更多控制熒光蛋白開(kāi)關(guān)的方法，而這也成為貝茨格最終實(shí)現(xiàn)熒光顯微技術(shù)的基礎(chǔ)。

貝茨格的研究始于在貝爾實(shí)驗(yàn)室的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡研究，用這種方式也是用納米量級(jí)寬度的光線(xiàn)照射樣品，但是光線(xiàn)反射的范圍非常小，難以反映細(xì)胞內(nèi)部的情況，1995 年，心灰意冷的貝茨格不僅放棄了這個(gè)方向，甚至放棄了學(xué)術(shù)研究，他辭去了貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作。但是超越阿貝極限的想法在他腦海里還是揮之不去。

他的想法是，如果不同的分子發(fā)不同的光，只要發(fā)同一種顏色的光的分子之間的距離大于阿貝極限，位置就可以精確記錄，那么把不同顏色圖像疊加起來(lái)，分子之間的距離就小于阿貝極限，這樣阿貝極限不是自然而然被繞過(guò)去了嗎？他把這個(gè)想法發(fā)表了一篇論文，然后就進(jìn)了父親的公司工作。

在遠(yuǎn)離科學(xué)界近10 年后的2005 年，他了解到有種熒光蛋白可以隨意開(kāi)關(guān)，這就是實(shí)現(xiàn)他的想法的工具。這時(shí)候他也意識(shí)到，其實(shí)并不需要不同的分子顯示不同的顏色，只需要不同的分子在不同的時(shí)候發(fā)光。

通常要激發(fā)熒光蛋白發(fā)光，需要用于激發(fā)的光線(xiàn)足夠強(qiáng)，而貝茨格反其道而行，由于激發(fā)熒光蛋白發(fā)光的光線(xiàn)較弱，每次只能激發(fā)零零散散的一小部分分子發(fā)光，由于這些分子之間的距離大于0.2 微米，因此可以被精確記錄下來(lái)，而再次照射的時(shí)候，已經(jīng)發(fā)過(guò)光的分子不會(huì)再發(fā)光，又有另一小部分分子發(fā)出了光。就這樣重復(fù)多次，所有分子的位置就都被記錄下來(lái)，而分子之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于阿貝極限，就得到了一幅高分辨率的圖像。

卓越的貢獻(xiàn)

瑞典皇家科學(xué)院常任秘書(shū)、諾貝爾基金會(huì)副主席斯塔凡·諾馬克在頒獎(jiǎng)發(fā)布會(huì)上說(shuō)，在超高分辨率熒光顯微技術(shù)的幫助下，現(xiàn)在我們可以看到生物體內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)情況，可以看到它們發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程，甚至可以發(fā)現(xiàn)哪里出了問(wèn)題。

目前，54 歲的埃里克·貝茨格就職于美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所，61歲的威廉·莫爾納在斯坦福大學(xué)任教，52 歲的斯蒂凡·黑爾仍然在德國(guó)馬克斯- 普朗克學(xué)會(huì)工作。

黑爾教授在接受頒獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)連線(xiàn)電話(huà)采訪時(shí)說(shuō)，過(guò)去人們認(rèn)為光學(xué)顯微不可能超越波長(zhǎng)的限制，當(dāng)他希望突破這個(gè)限制的時(shí)候，很多人認(rèn)為他瘋了，甚至他自己也想過(guò)放棄，后來(lái)他改變了主意，不是去改變光線(xiàn)的波長(zhǎng)，而是去改變分子本身。“這讓我重拾信心?！?/p>

如今，熒光顯微鏡技術(shù)已經(jīng)是對(duì)蛋白質(zhì)、DNA 等生物大分子定性定位研究的最有力工具之一。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)委員，瑞典烏普薩拉大學(xué)教授曼斯·艾倫博格說(shuō)，在這種技術(shù)的幫助下，光學(xué)顯微技術(shù)已經(jīng)沒(méi)有物理上的限制，唯一需要解決的就是如何利用熒光蛋白對(duì)特定分子進(jìn)行標(biāo)記的問(wèn)題，但是過(guò)去很多人在遇到了這一限制的時(shí)候，沒(méi)有活下來(lái)。

中科院上海應(yīng)用物理所副所長(zhǎng)胡鈞表示，為什么超分辨率的熒光顯微鏡顯得特別重要，就是能夠進(jìn)行功能成像，對(duì)于生命科學(xué)非常重要，不是看一種結(jié)構(gòu)，而是看哪一種分子在活動(dòng)，這對(duì)于電子顯微鏡，X 射線(xiàn)顯微鏡來(lái)說(shuō)還做不到。主要原因是，熒光標(biāo)記技術(shù)已經(jīng)很成熟，可以標(biāo)記特定的分子，看到的熒光就是要看的分子。而電鏡的特異性標(biāo)記技術(shù)還不成熟，這是最關(guān)鍵的。

他舉例說(shuō)，就像到醫(yī)院檢查癌癥，看CT 還不夠，要通過(guò)PET-CT，看到葡萄糖代謝特別活躍才能確診，就是因?yàn)镃T 只看到結(jié)構(gòu)，判斷是否惡性非常困難。PETCT可以給葡萄糖標(biāo)記正電子核素，發(fā)射伽馬光子，因?yàn)閻盒阅[瘤的葡萄糖代謝非常旺盛，看到葡萄糖特別多的地方，就是惡性腫瘤。這就讓癌癥的早期檢測(cè)成為可能，因此也獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

而對(duì)于電鏡、X 射線(xiàn)對(duì)生命體的破壞問(wèn)題，胡鈞說(shuō)其實(shí)熒光顯微也會(huì)有一定傷害，只要使用超快脈沖，照射時(shí)間足夠短，就能限制在可以接受的范圍。他說(shuō)，現(xiàn)在對(duì)其他幾種技術(shù)來(lái)說(shuō)，還需要解決標(biāo)記的問(wèn)題，才能夠?qū)崿F(xiàn)功能成像。endprint