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纳米天地由此进入人类视野

发布时间:2019-11-25 06:51:21 编辑:笔名

纳米天地由此进入人类视野

原标题:纳米天地由此进入人类视野

红血细胞、细菌、酵母细胞和精子。当17世纪的科学家第一次在光学显微镜下研究这些活的生物体时,他们看到了一个新的世界。微生物学诞生了,从此,光学显微镜成为研究生命科学的工具箱中最重要的工具之一。

但在很长一段时间,光学显微镜无法突破一个物理局限,即所谓的阿贝衍射极限——德国物理学家恩斯特阿贝于1873年提出的公式证明,受光的波长等因素影响,显微镜的分辨率是有限的。在20世纪的大部分时间,科学家们都认为,光学显微镜永远无法看到小于光的波长一半的物体,也就是说,分辨率超不过0.2微米。虽然某些细胞的细胞器如线粒体的轮廓在光学显微镜下清晰可见,但它难以分辨更小的物体,这类似于能够看到一个城市的建筑,却不知道居民们如何生活。要充分了解细胞的功能,就需要具备跟踪单个分子活动的能力。

阿贝衍射极限仍然成立,但美国科学家埃里克贝齐格、威廉莫纳和德国科学家斯特凡黑尔借助荧光分子的帮助,巧妙地绕过了经典光学的这一“束缚”,使光学显微镜发展到了一个新的层次——纳米显微镜。现在,科学家们可以监控细胞内单个分子之间的相互作用,观察与疾病相关的蛋白质如何聚集,并在纳米水平上跟踪细胞分裂过程。三位科学家也因在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就而获得2014年诺贝尔化学奖殊荣。

斯特凡黑尔:挑战百年既定法则

自1990年获得海德堡大学博士学位后,斯特凡黑尔一直在寻找一种方法,希望能绕开阿贝定义了一个多世纪的衍射极限。挑战一个既定法则的想法是诱人的,但他的热情遭到了德国资深科学家的质疑,因此,黑尔躲到了芬兰,图尔库大学一位研究荧光显微镜的教授将他纳入了自己的研究团队。

所谓荧光显微镜,就是一种利用荧光分子,比如可与特定细胞DNA(脱氧核糖核酸)耦合的荧光抗体,来对细胞的某个部分成像的技术。如果抗体与DNA耦合,它们会在细胞的中心发光。这种方法可让科学家看到特定分子所处的位置,但他们找到的是一团分子,比如纠缠的DNA的链,过低的分辨率使他们无法分清单个的DNA链。

1993年,当黑尔在翻阅一本量子光学教科书上有关受激发射的内容时,突然灵光乍现——受激发射可以让荧光分子“熄灭”。1994年,黑尔发表文章阐述了自己的想法。他提出了所谓的受激发射损耗(STED)方法:利用一束光脉冲激发的所有荧光分子,而另一束光脉冲“熄灭”荧光,但每次保留一部分体积约纳米大小分子发着光。用这样一个纳米“手电筒”沿着样品扫描并连续地测量光强度,就能够获得一张综合的图像。每次扫描时保留的荧光分子体积越小,最终图像的分辨率就越高,因此,从理论上来说,光学显微镜的分辨率再无任何限制了。

黑尔的理论文章并没有立即引发轰动,但因足够有趣,他得以进入马克斯普朗克生物物理化学研究所工作。在随后的几年中,他研制出一个STED显微镜,并在2000年以光学显微镜从未达到的分辨率获得了大肠杆菌的图像,用实践证明了自己的理论。

威廉莫纳:探测单个荧光分子的第一亾

大多数的化学方法,例如测量荧光,科学家需要同时研究数百万个分子。很长一段时间里,他们都在梦想能够测量单个分子,因为获得的认知越丰富、越详尽,理解就越深入,比如疾病是发展的。因此,1989年,当在IBM研究中心工作的威廉莫纳成功地测量了单个分子的光吸收时,他也为单分子显微镜的发展奠定了基础。他的实验启发了许多化学家们将目光投向单个分子,其中就包括埃里克贝齐格。

1997年,莫纳进入加州大学圣地亚哥分校,开始了让绿色荧光蛋白呈现彩虹的所有颜色的研究。他发现,绿色荧光蛋白的一个变体发出的荧光可被随意地开启和关闭——当受到波长488纳米的光激发时,蛋白开始发出荧光,但不久就会逐渐熄灭。他将这些蛋白质分散到凝胶中,并让它们之间的距离大于0.2微米的阿贝衍射极限。在常规光学显微镜下,可以看到单个分子的光,它们就像一盏盏带开关的小灯。

通过这项研究,莫纳证明,可以对单个分子的荧光进行光学控制。而这解决了埃里克贝齐格1995年构想出来的一个问题。

埃里克贝齐格:通过叠加图像超越阿贝衍射极限

就像斯特凡黑尔一样,埃里克贝齐格也一心想要找到绕过阿贝衍射极限的方法。在20世纪90年代初,他在贝尔实验室里,致力于研究一种被称为近场显微镜的新型光学显微镜。这种显微镜可以规避阿贝衍射极限,但也有很多重大缺陷,比如很难看到细胞表面下的结构。他最终放弃了这个研究方向,转而设想,能否利用不同颜色的荧光分子来避开衍射极限?

2005年的一次实验过程,令贝齐格回想起莫尔纳尔的研究,当下茅塞顿开。他意识到,根本不需要不同颜色的荧光分子,通过“开关”控制,这些分子就可以在不同的时间里发出不同荧光。

仅仅过了一年,贝齐格成功了。他的研究团队将荧光蛋白与包裹溶酶体的膜耦合,并用微弱的光脉冲激活荧光蛋白,使其中的少量蛋白发光。由于数量少,几乎所有蛋白之间的距离都超过了阿贝衍射极限的0.2微米。每个荧光蛋白的位置都可以在显微镜下精确地记录下来。待荧光黯淡之后,研究人员又用光脉冲激活另一小群蛋白,如此反复。当贝齐格将所有图像叠加在一起,他得到了具有超高分辨率的溶酶体膜图像。

方法技术从来都是科学进步的推动力,三位获奖者的研究成果发展出了多项纳米显微技术,目前已被世界各地广泛使用。功能强大的纳米显微镜所展示的微小世界,也产生了很多前沿认知。斯特凡黑尔看到了活神经细胞的内部,这能帮助更好地理解大脑突触;威廉莫纳研究了与亨廷顿氏病相关的蛋白质;而埃里克贝齐格对胚胎中的细胞分裂进行了跟踪。类似的例子不胜枚举。毫无疑问,2014年诺贝尔化学奖得主们所作出的成就,将对全人类的福祉作出重大贡献。

原标题:纳米天地由此进入人类视野

稿源:人民

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