诺 贝 尔 化 学 奖 ： 看 到 最 小 细 胞 结 构 的 光 学 显 微 镜 改 良 者

诺 贝 尔 化 学 奖 的 三 位 获 奖 者 都 已 经 把 他 们 的 创 新 应 用 在 了 最 小 的 尺 度 研 究 生 物 学 上 ， 这 也 是 学 科 融 合 的 一 大 成 果 。 本 文 由 《 纽 约 时 报 》 授 权 《 好 奇 心 日 报 》 发 布 ， 即 使 我 们 允 许 了 也 不 许 转 载 。 三 位 科 学 家 ， 两 个 美 国 人 和 一 个 德 国 人 ， 获 得 了 今 年 的 诺 贝 尔 化 学 奖 。 他 们 绕 过 了 一 条 物 理 学 基 本 定 律 ， 让 光 学 显 微 镜 可 以 观 察 到 活 的 细 胞 内 最 微 小 的 结 构 。 周 三 ， 瑞 典 皇 家 科 学 院 （Royal Swedish Academy of Sciences） 公 布 了 2014 年 诺 贝 尔 化 学 奖 的 得 主 ， 他 们 是 54 岁 的 埃 里 克 · 贝 茨 格 （Eric Betzig）， 来 自 弗 吉 尼 亚 霍 华 德 · 休 斯 医 学 研 究 所 （Howard Hughes Medical Institute）；51 岁 的 斯 蒂 芬 ·W· 赫 尔 （Stefan W. Hell）， 来 自 德 国 马 克 斯 · 普 朗 克 生 物 物 理 化 学 研 究 所 （Max Planck Institute for Biophysical Chemistry）； 还 有 61 岁 的 威 廉 姆 ·E· 莫 尔 纳 尔 （William E. Moerner）， 来 自 加 州 斯 坦 福 大 学 。 从 左 到 右 为 Stefan W. Hell, William E. Moerner 和 Eric Betzig 几 个 世 纪 以 来 ， 光 学 显 微 镜 通 过 放 大 普 通 可 见 光 ， 让 生 物 学 家 们 可 以 研 究 对 肉 眼 来 说 过 于 微 小 的 有 机 组 织 。 但 光 学 显 微 镜 有 一 条 根 本 性 的 定 律 ， 即 衍 射 极 限 （diffraction limit）。 它 在 1873 年 被 首 次 提 出 ， 指 出 光 学 显 微 镜 的 分 辨 率 永 远 不 可 能 比 观 察 到 的 光 波 长 的 一 半 更 小 。 对 于 可 见 光 来 说 ， 这 一 极 限 就 是 0.2 微 米 ， 而 人 的 一 根 头 发 的 粗 细 都 是 0.2 微 米 的 500 倍 。 青 蛙 皮 肤 细 胞 里 的 核 孔 复 合 物 （ nuclear pore complexes ） 的 图 片 ， 它 是 用 由 斯 蒂 芬 · W · 赫 尔 研 发 的 受 激 发 射 损 耗 显 微 （ stimulated emission depletion microscopy ） 技 术 拍 摄 到 的 。 但 细 菌 的 大 小 并 不 比 这 一 极 限 大 多 少 ， 所 以 过 去 如 果 想 观 察 到 细 胞 内 的 细 节 ， 比 如 蛋 白 质 个 体 之 间 的 互 动 ， 是 没 什 么 可 能 的 。 其 他 比 如 电 子 显 微 镜 技 术 ， 是 通 过 电 子 束 而 不 是 光 粒 子 来 达 到 更 高 的 分 辨 率 的 ， 但 它 也 有 其 他 局 限 性 ， 比 如 需 要 样 本 要 切 得 足 够 薄 ， 并 被 放 置 在 真 空 中 。 对 于 生 物 学 研 究 来 说 ， 这 些 限 制 基 本 上 意 味 着 被 观 察 的 研 究 主 体 必 须 是 死 的 。 乍 一 看 ， 绕 过 衍 射 极 限 看 起 来 像 是 个 愚 蠢 的 追 求 ， 和 试 图 发 明 永 动 机 或 者 飞 得 比 光 速 还 快 一 样 ， 是 违 背 宇 宙 运 行 根 本 限 制 的 事 情 。 但 是 ，1990 年 在 海 德 堡 大 学 （University of Heidelberg） 博 士 毕 业 以 后 ， 生 于 罗 马 尼 亚 的 赫 尔 开 始 钻 研 这 一 问 题 。 在 德 国 ， 他 找 不 到 人 资 助 他 完 成 研 究 ， 于 是 他 1993 年 在 芬 兰 图 尔 库 大 学 （University of Turku） 得 到 了 一 个 研 究 职 位 。 一 年 以 后 ， 他 发 表 了 关 于 实 现 更 精 细 的 光 学 显 微 图 像 的 理 论 提 议 。 当 然 ， 赫 尔 当 时 还 无 法 突 破 物 理 学 定 律 。 但 他 意 识 到 ， 他 们 可 以 通 过 照 亮 一 些 分 子 ， 来 围 绕 衍 射 极 限 做 文 章 。 一 张 人 体 皮 肤 内 蛋 白 质 的 放 大 图 ， 它 是 用 光 激 活 定 位 显 微 镜 （ photo-activated localization microscopy ）， 一 种 由 霍 华 德 · 休 斯 医 学 研 究 所 的 埃 里 克 · 贝 茨 格 协 助 研 发 的 图 像 技 术 拍 摄 到 的 。 生 物 学 家 们 过 去 用 的 是 一 种 叫 荧 光 显 微 （fluorescence microscopy） 的 技 术 ， 它 靠 的 是 在 蛋 白 质 或 DNA 上 附 着 发 光 的 分 子 ， 然 后 观 察 发 光 体 的 运 动 来 观 察 被 研 究 的 主 体 ， 人 们 现 在 已 经 利 用 这 个 原 理 ， 通 过 车 头 灯 的 流 动 来 观 察 夜 间 城 市 交 通 流 量 起 伏 。 但 这 并 没 有 解 决 衍 射 极 限 的 问 题 。 如 果 荧 光 分 子 彼 此 间 靠 得 太 近 ， 那 么 生 物 学 家 看 到 的 就 只 是 一 团 模 糊 的 光 斑 。 赫 尔 的 创 新 思 路 是 使 用 两 束 激 光 ， 他 可 以 把 光 束 截 面 限 制 在 一 个 非 常 小 的 范 围 里 。 他 在 接 受 采 访 时 说 ， 这 样 一 来 ， 对 于 比 衍 射 极 限 还 小 的 结 构 ，“ 就 可 以 通 过 激 活 一 个 荧 光 分 子 、 不 激 活 另 一 个 荧 光 分 子 ， 来 把 两 个 分 子 分 开 ”。 早 在 他 实 现 自 己 提 出 的 提 议 之 前 ， 其 他 科 学 家 本 来 可 以 按 照 他 的 思 路 ， 在 实 验 室 里 把 他 的 提 议 变 成 现 实 的 。 他 说 ：“ 那 时 候 我 还 什 么 都 不 是 ， 甚 至 都 没 有 自 己 的 实 验 室 ， 真 的 。 人 们 可 以 把 我 的 提 议 当 作 一 个 解 决 方 案 ， 可 以 把 它 变 成 现 实 ， 但 他 们 没 有 那 么 做 。 为 什 么 没 做 呢 ？ 因 为 他 们 认 为 我 的 提 议 不 靠 谱 。” 1997 年 ， 他 转 到 了 马 克 斯 · 普 朗 克 生 物 物 理 化 学 研 究 所 ，1999 年 ， 他 成 功 地 把 自 己 的 想 法 变 成 了 现 实 ， 拍 摄 到 了 一 张 更 为 清 晰 的 大 肠 杆 菌 （E. coli） 的 图 片 。 赫 尔 说 ，《 科 学 》 和 《 自 然 》 等 顶 尖 科 学 杂 志 拒 绝 了 他 的 论 文 ， 最 后 论 文 发 表 在 了 《 美 国 国 家 科 学 院 院 刊 （The Proceedings of the National Academy of Sciences）》 上 。 与 此 同 时 ， 莫 尔 纳 尔 正 在 加 州 大 学 研 究 在 一 种 会 发 光 的 水 母 身 上 发 现 的 绿 色 荧 光 蛋 白 质 ，2008 年 ， 这 种 蛋 白 质 的 发 现 让 三 位 研 究 者 获 得 了 当 年 的 诺 贝 尔 化 学 奖 。 莫 尔 纳 尔 发 现 ， 这 种 蛋 白 质 中 的 一 个 变 种 可 以 通 过 在 它 上 面 照 射 特 定 颜 色 的 光 ， 来 控 制 它 是 否 发 光 。 这 一 发 现 对 贝 茨 格 来 说 至 关 重 要 ，1995 年 ， 他 就 曾 发 表 过 使 用 不 同 颜 色 的 荧 光 分 子 绕 过 衍 射 极 限 的 想 法 。 但 当 时 他 还 是 新 泽 西 州 贝 尔 实 验 室 （Bell Laboratories） 的 研 究 员 ， 对 自 己 的 学 术 生 涯 充 满 了 沮 丧 。 他 离 开 了 贝 尔 实 验 室 ， 到 父 亲 开 的 机 械 工 具 公 司 去 工 作 了 。 多 年 以 后 ， 当 他 再 度 躁 动 起 来 ， 决 定 重 返 科 学 界 时 ， 他 遇 到 了 绿 色 荧 光 蛋 白 质 。 他 说 ， 如 何 让 他 1995 年 的 想 法 成 真 “ 就 变 得 清 晰 起 来 了 ”。 他 没 有 使 用 不 同 颜 色 的 荧 光 ， 而 是 可 以 同 时 点 亮 数 个 荧 光 分 子 。 通 过 拼 合 分 离 的 图 像 ， 贝 茨 格 得 以 获 得 更 为 清 晰 的 图 像 。 三 位 获 奖 者 都 已 经 把 他 们 的 创 新 应 用 在 了 从 最 小 的 尺 度 研 究 生 物 学 上 。 赫 尔 在 研 究 大 脑 突 触 的 运 作 ， 莫 尔 纳 尔 在 研 究 和 亨 迁 顿 舞 蹈 病 （Huntington’s disease） 相 关 的 几 种 蛋 白 质 ， 而 贝 茨 格 正 在 研 究 胚 胎 的 细 胞 分 裂 。 “ 生 物 学 已 经 转 向 了 化 学 ，” 诺 贝 尔 化 学 奖 评 选 委 员 会 主 席 、 瑞 典 隆 德 大 学 （Lund University） 无 机 化 学 教 授 斯 文 · 利 丁 （Sven Lidin） 说 。“ 化 学 也 已 经 转 向 了 生 物 学 。”（ 三 位