北京時(shí)間10月8日,2014年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予兩名美國科學(xué)家以及一名德國科學(xué)家,以表彰他們在“超高分辨率熒光顯微技術(shù)方面的貢獻(xiàn)”。
來自美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的艾力克·貝齊格,德國馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所的斯特凡·黑爾以及美國斯坦福大學(xué)的威廉·莫納共同分享了今年的化學(xué)獎(jiǎng)。
它突破了不可逾越的“阿貝分辨率”
血紅細(xì)胞,細(xì)菌,酵母菌以及游動(dòng)的精子,在17世紀(jì)光學(xué)顯微成像技術(shù)的誕生后,科學(xué)家們第一次在光學(xué)顯微鏡下看到這些活生生的生物。一個(gè)嶄新的世界在他們的眼前打開了。
自那以后,光學(xué)顯微鏡成為生物學(xué)研究領(lǐng)域最重要的工具之一。
但是,長期以來,光學(xué)顯微成像技術(shù)的發(fā)展一直受制于一個(gè)物理極限值的約束,也就是德國物理學(xué)家、顯微技術(shù)專家恩斯特·阿貝在1873年提出的預(yù)言:光學(xué)顯微鏡的成像效果被認(rèn)為受到光的波長限制,無法突破0.2微米、即光波長二分之一的分辨率極限,此后被稱為“阿貝分辨率”。
在20世紀(jì)的絕大多數(shù)時(shí)間里,科學(xué)家們都相信光學(xué)顯微成像技術(shù)將永遠(yuǎn)無法讓他們突破到更細(xì)微的尺度上。
然而,阿貝的預(yù)言被今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得獎(jiǎng)人打破了。
將顯微技術(shù)帶入“納米”領(lǐng)域
按照諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評選委員會的說法,三位科學(xué)家的成果將顯微技術(shù)帶入“納米”領(lǐng)域,讓人類能夠“實(shí)時(shí)”觀察活細(xì)胞內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為疾病研究和藥物研發(fā)帶來革命性變化。
這三位科學(xué)家是如何做到的呢?
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評選委員會在當(dāng)天發(fā)表的聲明中說,通過熒光分子的幫助(詳見圖1和圖2),黑爾于2000年開發(fā)出STED(受激發(fā)射損耗)顯微鏡,他用一束激光激發(fā)熒光分子發(fā)光,再用另一束激光消除掉納米尺寸以外的所有熒光,通過兩束激光交替掃描樣本,呈現(xiàn)出突破“阿貝分辨率”的圖像。
而貝齊格和莫納通過各自的獨(dú)立研究,為另一種顯微鏡技術(shù)——單分子顯微鏡的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),這一方法主要是依靠開關(guān)單個(gè)熒光分子來實(shí)現(xiàn)更清晰的成像。2006年,貝齊格第一次應(yīng)用了這種方法。因此,這兩項(xiàng)成果同獲今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
左:艾力克·貝齊格,美國人,霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究帶頭人。1960年生于美國密歇根州安娜堡,1988年獲得美國康奈爾大學(xué)博士學(xué)位。
中:斯特凡·黑爾,德國人,就職于馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所和德國癌癥研究中心。1962年生于羅馬尼亞阿拉德,1990年獲得德國海德堡大學(xué)博士學(xué)位。
右:威廉·莫納,美國人,美國斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系和化學(xué)系教授。1953年生于美國加州普利桑頓,1982年獲得美國康奈爾大學(xué)博士學(xué)位。
“理論上,已沒什么物質(zhì),小得無法研究”
目前,這三位獲獎(jiǎng)人仍然活躍在這類研究領(lǐng)域的第一線,與越來越多投身這一研究領(lǐng)域的科學(xué)家們一道繼續(xù)開展工作。當(dāng)他們將強(qiáng)大的納米成像設(shè)備對準(zhǔn)組成生命的最微小組件,他們幫助人們獲得了大量最新的知識。
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評選委員會說,因?yàn)檫@個(gè)突破,“在帕金森氏癥、阿爾茲海默氏癥(老年癡呆癥)或亨廷頓氏癥(一種神經(jīng)退化性紊亂疾。┌l(fā)作時(shí),科學(xué)家可以跟蹤與之有關(guān)的蛋白質(zhì)的變化;
“受精卵分裂并發(fā)育成胚胎的過程中,科學(xué)家可以觀察這些單個(gè)蛋白質(zhì)的變化。”
他們還說,三人的研究成果為微生物研究帶來了幾乎無限的可能,“理論上講,已沒有什么物質(zhì),小得無法研究了。”
今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)金共800萬瑞典克朗(約合111萬美元),將由三位獲獎(jiǎng)?wù)咂椒。綜合新華社等報(bào)道
在常規(guī)光學(xué)顯微鏡中,可以區(qū)分線粒體輪廓,但其分辨率無法突破0.2微米。
一束用來激發(fā)熒光分子使其發(fā)光,另一束則將大部分發(fā)光抵消,留了一塊納米尺度的微小區(qū)域。
科學(xué)家通過兩束激光,一納米一納米地交替掃描樣本,在確定樣本位置后,生成高分辨率圖像。
最終圖像分辨率大大高于0.2微米。
單分子顯微鏡的原理
(圖2)
單個(gè)熒光蛋白質(zhì)
用一束弱光脈沖激活一小部分熒光蛋白質(zhì)。
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對同一區(qū)域多次成像,每次只讓一小部分的熒光蛋白發(fā)光質(zhì)。
所有圖像疊加起來呈現(xiàn)高分辨率圖像。