Natrue解析诺贝尔化学奖：展现细胞的内部世界

三位科学家运用荧光分子技术突破了传统光学显微镜的极限。

荧光显微技术展现了一个哺乳动物细胞的蛋白网状结构

图片来源：Max Planck Inst. for Biophysical Chemistry

十七世纪，最早的微生物学家安东尼.范.列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）利用聚光下的透镜看到了游动的细胞，并为之惊叹不已。自那时起，显微镜便开辟了新的研究前景。今年，诺贝尔化学奖授予了三位科学家。他们突破光学显微镜的极限，展现了活细胞分子级结构的清晰图像。

斯特凡.赫尔（Stefan Hell）、威廉姆.莫尔纳尔（William Moerner）和埃里克.白兹格（Eric Betzig）在上世纪九十年代与本世纪头十年内所取得的进展，意味着如今生物学家可以对蛋白质分散、进入细胞的过程进行实时观察。该技术可应用于研究神经元间如何连接，以及受精卵如何分裂成胚胎等问题。

“这真是生命科学的革命，因为我们现在可以看到从前看不到的结构。”斯特凡.赫尔说道。（斯特凡.赫尔在位于哥廷根的马克斯•普朗克学会生物物理化学研究所从事超分辨率技术的研究工作。）或如诺贝尔委员会所说：“显微（微米）技术已然变为显纳（纳米）技术了。”

正如德国物理学家恩斯特.阿贝（Ernst Abbe）于1873年所意识到的那样，无论透镜有多干净，光学显微镜所呈现的细胞分子图像总是模糊不清的。物理定律决定：当物体间距小于约200纳米（约为可见光波长的一半）时，可见光将无法分辨不同物体，而这些物体将会呈现为一点。这称作阿布衍射极限。在这种分辨率下，人们可以看到细胞中的细胞器，却看不到细胞器的具体结构。电子显微镜比光学显微镜的分辨率高，但只限于真空条件下使用，故仅能用于研究已死的组织。

阿布极限是客观存在的，无法克服。于是，2014年的诺贝尔奖得主们转而运用荧光团（荧光分子）技术。所谓荧光团技术，即激光器发射出特定波长的激光，冲击荧光团使其发光。这一技术现常用于生物成像。

战胜模糊

威廉姆.莫尔纳尔

威廉姆.莫尔纳尔现就职于加利福尼亚州斯坦福大学。他于1989年在位于圣荷西的IBM阿尔马登研究中心工作时，发现了单个分子会发出微弱的荧光。1997年，他在加利福尼亚大学圣地亚哥分校任职期间，又找到了控制荧光的办法，从而可以像开关灯一样改变分子。但仍旧需要这些单个分子间距大于200纳米才能分辨出来。

1995年，新泽西默里山贝尔工作室的埃里克.白兹格提议：如果使细胞中异种分子发出不同颜色的光，研究人员应当可以通过顺序拍摄红分子、绿分子、蓝分子的照片来提高分辨率。虽然同色荧光团仍需相距200纳米以上，但通过图层叠加的方法的确可以做出拥有更高分辨率的结构图。接下来，莫尔纳尔证明了各类同种分子可在不同时刻发光。这项发现最终将白兹格的想法变成了现实。

埃里克.白兹格

白兹格历经近十年才将他的想法付诸实践。他曾离开科学学术界，到他父亲在密歇根的医疗设备公司工作。2006年，他效力于弗吉尼亚州阿什本地区霍华德•休斯医学研究所珍妮利亚农业研究院。他运用这项技术拍摄了一张溶酶体蛋白的超分辨率照片，溶酶体蛋白上遍布着带有绿色荧光标记的分子。德国维尔茨堡大学超分辨率显微技术研究员马库斯.萨澳（Markus Sauer）说：这项技术现可达到20纳米的分辨率。

此时，正在芬兰图尔库大学工作的斯特凡.赫尔发现了一种可以避开阿布极限的技术。这项技术同样依赖于对荧光分子的控制。1994年，他提出：使用激光器制造有色荧光团，然后再次使用激光器使部分荧光团停止发光。其实早在1917年，爱因斯坦就描述了这一过程。

赫尔的方法是运用第二次激光照射冲击被照亮的荧光团，如此一来只剩下极少荧光点在发光。而由于无法战胜阿布极限，最后的图像还是模糊的。但有一点可以肯定，第二次照射后剩下的极少荧光点可以帮助研究人员确定光源。

将一系列这样的荧光点集合起来，就可以得到一幅高分辨率的图像。理论上，这些荧光点可以达到仅几纳米的间距。但在活细胞中，30纳米左右已然是极限了。萨澳说：这是由于现阶段第二次激光强度太大而常常破坏荧光团。

细胞的世界

斯特凡.赫尔

“至少在我看来，二十世纪那么多的物理发现一定能帮我们克服衍射难题。”现就职于哥根廷马克斯•普朗克学会生物物理化学研究所的赫尔，在得知获奖消息时这样对诺贝尔委员会说道。

“的确如此，赫尔运用的所有量子物理原理都在二十世纪二十年代末被发现。”托马斯.卡拉尔指出。托马斯.卡拉尔（Thomas Klar）是奥地利约翰.开普勒林兹大学应用物理学研究所负责人，曾在2000年与赫尔合著原理论证的论文。

赫尔接到诺贝尔委员会打来的电话时正在读一篇科学论文。之后，他说：“我读完了想看的那段，然后打电话给我的妻子和一些亲友。”

今年诺贝尔奖得主们的发明尚未成为常规技术，但已有许多生物学家运用此技术拍摄出了很好的细胞内部结构图。赫尔还发布了间距40纳米的小泡在神经元内游动的视频。庄小威是马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的一名化学家。她自己则另有发明——随机光学重建显微法。该显微法可用于展现肌动蛋白纤维如何沿轴突横截面周长呈环状包裹轴突。“将来会出现许多新版的超分辨率显微镜。”赫尔说道。

原文链接：http://www.nature.com/news/nobel-for-microscopy-that-reveals-inner-world-of-cells-1.16097

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