北大專家解讀2014諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)人，打破了光學(xué)成像中長(zhǎng)期存在的衍射極限，將熒光顯微成像的分辨率帶入到“納米時(shí)代”，為生命科學(xué)研究帶來(lái)巨大變化。

孫育杰（北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心 研究員）

2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在10月8日宣布授予美國(guó)科學(xué)家埃里克·白茲格（Eric Betzig）、威廉姆·莫納爾（William Moerner）和德國(guó)科學(xué)家施泰方·海爾（Stefan Hell），以表彰他們?cè)诔叻直媛薀晒怙@微技術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。正如官方頒獎(jiǎng)文中描述，這類技術(shù)從方法實(shí)現(xiàn)到在科學(xué)研究中大展身手雖然不過(guò)十幾年時(shí)間，但已對(duì)多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生顯著推動(dòng)，并且可以預(yù)言在未來(lái)將給生命科學(xué)研究帶來(lái)巨大的變化。

什么是超高分辨率熒光顯微技術(shù)

我們?nèi)搜垡话阕钚∧芸匆?jiàn)大約0.1毫米的東西, 而生物的基本單元 -- 細(xì)胞的直徑平均約為20微米或0.02毫米, 所以對(duì)生物微觀世界的觀察需要使用光學(xué)顯微鏡。光學(xué)顯微技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，不但能放大微觀世界，同時(shí)還對(duì)樣品沒(méi)有損害，并且可以特異地觀察目標(biāo)對(duì)象。這種特異性一般是通過(guò)熒光顯微技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。熒光是物質(zhì)吸收光照后發(fā)出的光，一般發(fā)射光波長(zhǎng)比吸收光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此可以單獨(dú)檢測(cè)熒光，對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測(cè)。然而，光學(xué)顯微鏡的分辨率是有限的。由于光的衍射，即使一個(gè)無(wú)限小的光點(diǎn)在通過(guò)透鏡成像時(shí)也會(huì)形成一個(gè)彌散圖案，俗稱“艾里斑”。這樣即便兩個(gè)物點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，其彌散斑卻可能很近，以致無(wú)法區(qū)分。

基于此原理，早在1873年，德國(guó)科學(xué)家恩斯特?阿貝(Ernst Abbe)提出了阿貝光學(xué)衍射極限，并作為其重要成就刻于其墓碑上。根據(jù)這個(gè)公式，光學(xué)顯微鏡的分辨率約為檢測(cè)光波長(zhǎng)的一半，300納米左右（可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為400-700納米），或是我們頭發(fā)直徑的1/300。超高分辨率熒光顯微技術(shù)通過(guò)一系列物理原理和化學(xué)機(jī)制“打破”了這一衍射極限，把光學(xué)顯微鏡的分辨率提高了幾十倍，使我們以前所未有的視角觀察生物微觀世界。

為什么生物學(xué)研究需要超高分辨率熒光顯微技術(shù)

很多亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)都在微米到納米尺度，衍射極限的存在限制了我們使用光學(xué)顯微鏡觀察這些生物樣品。比如細(xì)胞的骨架蛋白微絲非常密集，在熒光顯微鏡下其圖像非常模糊，無(wú)法看到細(xì)節(jié)，而電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到1nm左右，非常清楚地呈現(xiàn)了細(xì)胞骨架的細(xì)節(jié)。然而電子顯微鏡幾乎不能做活的樣品，特異性也沒(méi)有熒光顯微鏡好。因此，發(fā)展超高分辨率熒光顯微技術(shù)對(duì)生物學(xué)研究意義非常重大。

超高分辨率熒光顯微技術(shù)的發(fā)展歷程

目前的超高分辨率熒光顯微技術(shù)大體可分為三類，包括受激發(fā)射損耗、結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)和單分子技術(shù)。其歷史大體可以追溯到上個(gè)世紀(jì)80年代。這次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家是這個(gè)方向的先驅(qū)人物。

超高分辨率熒光顯微技術(shù)的發(fā)展分為三個(gè)階段。在1994年，此次獲獎(jiǎng)的德國(guó)人科學(xué)家施泰方·海爾當(dāng)時(shí)還是博士后，最先從提出了受激發(fā)射損耗的方法（簡(jiǎn)稱STED）來(lái)打破光學(xué)衍射極限，并最終于2000年在實(shí)驗(yàn)上得以實(shí)現(xiàn)。其利用了類似于產(chǎn)生激光的受激輻射原理，將一束形似于面包圈的激光光斑套在用于激發(fā)熒光的激光光斑外，這個(gè)面包圈激光可以抑制其區(qū)域內(nèi)熒光分子發(fā)出熒光，這樣通過(guò)不斷縮小面包圈的孔徑就可以獲得一個(gè)小于衍射極限的熒光發(fā)光點(diǎn)，并通過(guò)掃描實(shí)現(xiàn)超高分辨率的圖像，將光學(xué)顯微鏡分辨率提高了近10倍。海爾現(xiàn)為德國(guó)哥根廷大學(xué)教授和德國(guó)馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所所長(zhǎng)。從2000年開(kāi)始，他不斷改進(jìn)STED技術(shù)，使其更加適用于生物研究。另外，他還通過(guò)相似原理發(fā)明了一系列的超高分辨率技術(shù)，統(tǒng)稱為可逆飽和熒光躍遷（RESOLFT），為超分辨率熒光顯微成像技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

基于結(jié)構(gòu)照明原理的超高分辨率技術(shù)是美國(guó)科學(xué)家麥茨·古塔弗森（Mats Gustafsson）在2000年發(fā)明的，非常適于細(xì)胞研究，可惜分辨率只提高了一倍。這個(gè)技術(shù)基于兩個(gè)高空間頻率的圖案重疊可以形成低頻率莫爾條紋的原理，通過(guò)解析莫爾條紋實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像。可惜古塔弗森于2011年51歲時(shí)因癌癥去世，英年早逝，無(wú)緣分享這次的諾貝爾獎(jiǎng)。

超分辨熒光顯微鏡技術(shù)真正成熟并得以在生物研究中廣泛應(yīng)用是自2006年同時(shí)出現(xiàn)的兩種基于隨機(jī)重構(gòu)原理的超高分辨率光學(xué)成像技術(shù)。當(dāng)時(shí)是由哈佛大學(xué)莊小威教授（隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微術(shù)STORM技術(shù)）、這次的諾貝爾獎(jiǎng)得主埃里克·白茲格（光活化定位顯微術(shù)PALM技術(shù)）以及薩繆爾·海斯（Samuel Hess，熒光活化定位顯微術(shù)fPALM技術(shù)）三個(gè)研究組分別同時(shí)獨(dú)立發(fā)明的。它們?cè)谠矸浅Ｏ?，都是基于熒光分子的光轉(zhuǎn)化能力和單分子定位，通過(guò)用光控制每次僅有少量隨機(jī)離散的單個(gè)熒光分子發(fā)光，并準(zhǔn)確定位單個(gè)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(shí)間換空間”的思路非常巧妙，把熒光成像的分辨率一下子提高了20倍左右。圖中對(duì)細(xì)胞骨架的成像分辨率已經(jīng)逼近電子顯微鏡的分辨率。

這次獲獎(jiǎng)的威廉姆·莫納爾現(xiàn)為美國(guó)斯坦福大學(xué)講座教授，是單分子熒光技術(shù)的先驅(qū)人物。他在1989年任職于美國(guó)IBM研究中心時(shí)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)分子的光吸收的測(cè)量，并在1997年與因?yàn)榫G色熒光蛋白獲得08年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的羅杰·錢合作發(fā)現(xiàn)了綠色熒光蛋白的光轉(zhuǎn)化效應(yīng)。而埃里克·白茲格是美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的教授，是熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。他最早在1992年就實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)超高分辨率熒光成像，其后在94年提出了基于單分子信號(hào)實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像的思想，并于2006年在實(shí)驗(yàn)中得以實(shí)現(xiàn)。值得指出的是莊小威教授作為STORM超分辨技術(shù)的發(fā)明人，一直領(lǐng)導(dǎo)并推進(jìn)著超高分辨率顯微技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，是近8年來(lái)這個(gè)領(lǐng)域最活躍的研究團(tuán)隊(duì)。莊小威教授本科畢業(yè)于中國(guó)科大少年班，34歲獲得哈佛大學(xué)的正教授職位，40歲成為美國(guó)科學(xué)院院士。

超高分辨率成像作為一類很新的技術(shù)，突破了光學(xué)成像中的衍射極限，把傳統(tǒng)成像分辨率提高了10到20倍，好比一個(gè)近視眼的人突然戴上了合適的眼鏡，成為研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)的利器。過(guò)去這七八年間，這些技術(shù)不斷推進(jìn)，先后實(shí)現(xiàn)了多色、三維和活細(xì)胞高速成像。其生物應(yīng)用也很廣泛，包括細(xì)胞膜蛋白分布、細(xì)胞骨架、線粒體、染色質(zhì)和神經(jīng)元突觸等。超高分辨率技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)就引起廣泛關(guān)注，先是在2006年被世界著名《科學(xué)》期刊評(píng)委年度十大技術(shù)突破，接著被生物醫(yī)學(xué)方法學(xué)最好的期刊《自然-方法》評(píng)為2008年度方法。在近期《自然-方法》的十周年特刊評(píng)出的10年10大技術(shù)中，超高分辨率成像和單分子技術(shù)也都出現(xiàn)在榜中。

關(guān)于此次諾貝爾獎(jiǎng)及展望

就像利用哈勃天文望遠(yuǎn)鏡認(rèn)識(shí)宇宙，人類對(duì)微觀世界的了解極大地依賴于光學(xué)顯微技術(shù)。今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)人打破了光學(xué)成像中長(zhǎng)期存在的衍射極限，將熒光顯微成像的分辨率帶入到“納米時(shí)代”，讓我們能以更精確地窺探微觀世界，將為疾病研究和藥物研發(fā)帶來(lái)革命性的變化。也可以期待為世界上方興未艾的腦計(jì)劃提供關(guān)鍵支持。有趣的是，這次的三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主都是物理學(xué)博士，而這次獲獎(jiǎng)的成果也是典型的跨界研究，結(jié)合物理思想、光學(xué)技術(shù)和化學(xué)探針為生物學(xué)研究提供了前所未有的強(qiáng)大工具，是一個(gè)典型的技術(shù)諾貝爾獎(jiǎng)。事實(shí)上，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大量的懸疑正持續(xù)吸引具有不同背景的專業(yè)人才加入到研究隊(duì)伍中來(lái)，這種交叉融合的方式將會(huì)大大促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)研究的進(jìn)步。毋庸置疑，未來(lái)我們還將看到更多像這樣的跨界諾貝爾獎(jiǎng)！

作者孫育杰博士的主要研究方向是：?jiǎn)畏肿訜晒夂统叻直媛食上窦夹g(shù)在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用。（原標(biāo)題：【北大專家解讀】2014諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）