和浩瀚的宇宙一樣神秘難以看清的,是我們自身的微觀世界。100多年前,科學家發現光的衍射極限,這一極限決定了我們無法看清比可見光波長一半更小的物體。今年諾貝爾化學獎的三名獲獎科學家巧妙地繞開了這種極限,將一個全新的世界帶給世人。他們是怎樣做到的?現在科學家能帶領人類看到哪些細節清晰的微觀變化過程?上周六,北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心研究員孫育傑做客小谷圍科學講壇,為觀眾講述了今年諾獎背後的故事。
  百年難破的“衍射極限”
  2014年的諾貝爾化學獎宣佈授予美國科學家埃里克·白茲格(Eric Betzig)、威廉姆·莫納爾(W illiam M oerner)和德國科學家施泰方·海爾(StefanH ell),以表彰他們在超高分辨率熒光顯微技術領域的突破性功效,將光學顯微鏡帶入了納米維度。
  孫育傑介紹,我們人眼一般最小能看見大約0 .1毫米的東西,而細胞的直徑平均約為20微米或0 .02毫米,其中控制細胞的關鍵部分———細胞核只有整個細胞千分之一大小,約20-30納米。細胞是一個忙碌混亂卻又井然有序的微觀世界,內部每時每刻都在發生變化。科學家們一直希望能看到細胞內這些生命過程是如何發生的。
  實現這一目標,科學家們的優先選擇是光學顯微鏡。光學顯微技術優點眾多,對樣品沒有損害,可以觀察到活的細胞和生理過程,並且可以特異地觀察目標對象。但由於光的衍射極限,此前光學顯微鏡的分辨率只能達到300納米左右。電子顯微鏡倒是能看到納米大小的對象,而電子顯微鏡的視野是黑白的,只有對比度和灰度差別,沒有特異性,基本不能觀察活的樣品。
  為什麼存在這一極限?孫育傑解釋,由於光的衍射,即使一個無限小的光點在通過透鏡成像時,也會形成一個彌散圖案,俗稱“艾里斑”。科學研究表明,兩個點之間的距離小於300納米,彌散斑便會重合,無法區分,也就難以通過數學計算還原兩個點的位置。
  1873年,德國科學家恩斯特·阿貝(Ernst A bbe)提出了阿貝光學衍射極限的公式,光學顯微鏡的分辨率約為檢測光波長的一半。由於可見光的波長為400-700納米,所以光學顯微鏡的最高分辨率只有300納米左右,相當於人類頭髮直徑的1/300。
  極限之後的美麗世界
  如何突破這一極限,看到更清晰的微觀世界?目前科學家使用的兩種思路,第一種是用小於衍射極限的光斑來掃描樣品,這種方法由這次獲獎的德國科學家施泰方·海爾提出。利用了類似於產生激光的受激輻射原理,將一束形似麵包圈的激光光斑套在用於激發熒光的激光光斑外,這個麵包圈激光可以抑制區域內熒光分子發出熒光,就像橡皮擦一樣。通過不斷縮小麵包圈的孔徑,可以獲得一個小於衍射極限的熒光發光點,通過掃描實現超高分辨率的圖像,將光學顯微鏡分辨率提高了近10倍。
  第二種思路,是通過用光控制每次“可見”的分子數目,使得相鄰分子不同時發光,將單個熒光分子的“艾里斑”通過數學方式計算中心,由於每次發光的分子不同,重覆幾十次後,能疊加得到樣品的超高分辨率圖像。
  孫育傑說,超高分辨率顯微技術發明以後,8年來科學家利用這種方法研究各種細胞結構,結合單分子與超分辨顯微鏡研究細胞內物質運輸,看到細胞核內D N A如何複製,細胞骨架的蛋白如何運動,看到細胞核錶面像小花籃結構的小孔。
  超分辨成像還可以應用於神經生物學,也就是腦科學研究。人類大腦有100億個神經細胞,每個神經細胞又有1萬個連接。神經細胞突觸附近分子是怎麼分佈,對這個神經細胞的功能是什麼呢?孫育傑介紹,2010年哈佛大學莊小威團隊,在200納米的尺度內就看到神經突觸左邊和右邊的各種蛋白在什麼位置。最近他們又看到了神經細胞軸突的結構,解析神經細胞軸突中A ctin周期結構,由一個微絲結構組成,最後得到了一個很漂亮的圖案。
  展望未來,孫育傑認為超高分辨率顯微鏡還有待進一步發展,未來的方向是更高的分辨率、更快的成像速度,一次性能看到更大的活體樣品區域。
  八一八
  華人科學家莊小威為何擦肩諾獎?
  2006年,哈佛大學莊小威教授、這次的諾貝爾獎得主埃里克·白茲格以及薩繆爾·海斯三個研究組分別同時獨立發明,通過用光控制每次僅有少量隨機離散的單個熒光分子發光,並準確定位單個熒光分子艾里光斑的中心,把多張圖片疊加形成一幅超高分辨率圖像。這種“以時間換空間”的思路,把熒光成像的分辨率一下子提高了20倍,幾乎達到電子顯微鏡的分辨率。
  而威廉姆·莫納爾的得獎,是因為他是超高分辨率顯微成像領域的第一人,早在1989年任職於美國IBM研究中心時,他在世界上首次在超低溫下用光學手段觀測到單個分子的光譜,相當於看到了單個分子。後來1997年,莫納爾又與因為綠色熒光蛋白獲得2008年諾貝爾化學獎的羅傑·錢合作,發現了綠色熒光蛋白的光轉化效應。
  “如果這次諾貝爾化學獎只頒給一個人,那麼拿獎的一定是海爾。”孫育傑介紹,海爾在1994年最先提出了這個學名為“受激發射損耗”的方法(簡稱ST ED )來打破光學衍射極限,然而當時掌握科研資金的機構不相信這一想法,海爾拿不到科研經費資助,論文也被大的學術雜誌拒絕了,只能發表在一本小雜誌上。直到2000年,海爾才最終通過實驗實現這一想法。
  埃瑞克·白茲格的學術之路也是坎坷。他早在1995年就有了基於單分子信號實現超高分辨率成像的想法,但因為拿不到足夠的科研經費和學術職位,1995年至2002年期間跟父親開工廠賺錢去,但心裡一直放不下學術夢想。因為一個偶然的機會,有兩個科學家願意資助他,他們就在其中一個科學家的廚房裡面搭建光學設備進行研究,最後2006年終於成功把實驗做出來。
  孫育傑戲言,“海爾和白茲格的得獎都可以說是‘物理博士的逆襲’。”
  而此屆諾貝爾化學獎最大的爭議是華人科學家莊小威教授為何無緣。孫育傑認為,今年諾貝爾化學獎是按照兩方面突破來頒獎,第一個思路頒給海爾沒有爭議,第二個單分子成像,評獎委員會把獎給了做出單分子研究的莫納爾和提出這方面思想比較早的白茲格。
  莫納爾是在1989年第一個做單分子研究,就資歷來說,他與莊小威的導師是一代人,不過他在超高分辨率成像技術的實質性工作不多。白茲格早在1995年提出思想,2006年做出來,他的論文比莊小威投稿早了四個月,發表早了一個星期。行內普遍認為,莊小威教授在單分子成像技術的發明、改進和應用等多方面來說,貢獻最大,就這個獎而言,她完全有實力有資格分享。“她本人對獲獎的事無所謂,以她的實力,過了十年後可能又有更重要的新東西出來。”
  現場問答
  觀眾:有沒有考慮過自己以後拿到諾貝爾化學獎?
  孫育傑:我們經常聊這個話題。比如說莊小威在北大兼職,他們有希望(拿的)他們都不願意聊,我們沒希望得的人就聊。其實真正做科學的人,衝著諾貝爾獎去的話肯定做不出來,諾貝爾獎偶然性特別高,每年也會有很大的爭議。我能做的就是多參加這樣的科普活動,培養下一代。
  觀眾:為什麼這麼多年來沒有一個中國人拿到諾貝爾獎?
  孫育傑:我們中國人開始做科學也就是上世紀七八十年代,現在其實才做了三四十年,不用著急,日本做了五六十年才拿到諾貝爾獎。
  觀眾:怎麼樣才能做到每次控制某幾個分子發光?
  孫育傑:我剛纔強調了隨機,科學家現在做不到指定哪幾個分子發光,只能控制在某個時刻發光的分子數量,用光的強度控制。
  觀眾:熒光分子的蛋白是本身具有的嗎?
  孫育傑:熒光分子是人為加進去,實際上用的就是轉基因技術。
  聽眾:你說的這兩個實現超分辨熒光的技術,一個是掃描的方式,一個是隨機的,都需要時間,同時顯現是不是更好一些?
  孫育傑:莊小威的這個技術可以做到一秒鐘一幀,所以她的分辨率現在很高。現在用這些超分辨成像只能觀察到比較慢的變化,幾十秒或分鐘級,時間短的生理過程還需要研究。
  採寫:南都記者 陳萬如 攝影:南都記者 譚慶駒 統籌:南都記者 陳實 嚴慧芳  (原標題:微觀世界的極限穿越)
創作者介紹

Blanchett

uu87uudsxk 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()