(从左向右依次为)白兹格、莫纳尔和赫尔

 

  2014年度诺贝尔化学奖授予了美国科学家埃里克·白兹格(Eric Betzig)、威廉·E·莫纳尔(William E.Moerner)和德国科学家斯特凡·W·赫尔(Stefan W.Hell),以表彰他们开发出超高分辨率荧光显微镜,让人类能以精确视角窥探到小于衍射极限的纳米级微观世界光学图像。
 
  白兹格和莫纳尔分别就职于美国霍华德·休斯医学研究所和斯坦福大学,赫尔则在德国马普生物物理化学研究所和德国癌症中心工作。其中,莫纳尔是发现单荧光分子第一人,这是他在位于加利福尼亚州圣荷西的IBM阿尔马登研究中心工作时取得的成果。

超越阿贝光学衍射极限

  在圣地亚哥加利福尼亚大学工作时,莫纳尔发现,蛋白发出的荧光可被随意地开启和关闭。当受到488纳米光束激发时,蛋白发出荧光,但不会消退。他还发现,蛋白在405纳米光束下可重新被激活发出荧光,还可用488纳米光束熄灭荧光。这种开关光控荧光蛋白原理是光激活定位显微镜(PALM)的基础。例如,1989年莫纳尔首先发现了荧光单分子,为标记生物单个蛋白激活荧光分子开启了大门。这种技术最终被白兹格所用。
 
  白兹格则是从溶酶体细胞的破碎和再生中捕捉到单个细胞图像,绕过了阿贝光衍射极限最终取得突破性进展。白兹格曾用被称为绿色荧光蛋白的水母分子标记溶酶体膜中数百万天然分子,在一定光波长下,蛋白发出的短暂绿光可正确显示它们的所在位置――通过采集标记蛋白子集图像并拼接在一起的方法得到合成图像,突破了阿贝光学衍射极限。
 
  2006年,白兹格与哈拉尔德·赫斯(Harald Hess)合作,一起在赫斯的客厅创建了PALM样机。在PALM下,光激活荧光蛋白来回转换每次只需少许时间。该方法要求光激活蛋白分开时其位置可精确定位,而图像的建立需多次循环重叠。
 
  同年,哈佛大学庄小威(Xiaowei Zhuang,音译)和缅因州立大学的塞缪尔·T·赫斯(Samuel T.Hess)也创造了类似方法(光随机重显显微镜-STORM和荧光激活定位显微镜-fPALM)。
 
  而赫尔创造的受激发射损耗显微技术(STED)原理则有所不同,它是用激光束激发耦合生物分子荧光细胞,在第二次重叠环状激光束关闭所有细胞荧光后,仅剩下纳米微小物质,最后通过对样本的扫描,得到纳米级高分辨率的图像。其过程是,将生物样本中天然分子在密封的红色激光“衬套”中受蓝色激光照射致其产生荧光蛋白。衬套避免了蓝光聚焦在图像的单一点上,超越了阿贝光学衍射极限,从而捕捉到埃希氏大肠杆菌的高清晰度图像。

 

白兹格和哈拉尔德·赫斯在赫斯客厅建造的光激活定位显微镜原型机

 

开启探知微观世界的窗口

  在探索纳米级微观世界光学图像领域里,近几十年有相当多的科研人员做了大量的工作,原先的超限分辨方法虽提高了横向分辨率清晰度,但深度分辨率效果不理想。自引入PALM、STORM、STED和fPALM技术后,分辨率进一步得到提升,可清晰探视到三维立体图像。
 
  曾与白兹格合作的美国国立卫生研究院(NIH)的细胞生物学家詹妮弗·L·施瓦兹(Jennifer L.Schwartz)认为,超高分辨率图像获得诺贝尔奖反映了这项技术对生物学影响重大。“这项技术正在革新活细胞许多基本概念。当前情况下,这些细胞结构在衍射极限下人们是无法看到。”
 
  美国化学会主席托马斯·J·巴顿(Thomas J.Barton)说:“毫无疑问,这是化学领域的成就。我认为,多学科在这里起到了重要作用,它是健康科研环境下的成就。”
 
  瑞典乌普萨拉大学的曼斯·埃伦贝格(Mans Ehrenberg)认为,他们三人的创造让人类能够“实时观察细胞的生长、发育和繁殖过程。这意味着,我们在读取DNA和转换蛋白时,可了解蛋白与大脑疾病(如阿尔兹海默氏征)之间的关系,甚至了解学习过程中的大脑神经变化。”
 
  归功于三位科学家的贡献,他们的创造给生物学家开启了一个探知生物纳米微观世界的窗口,我们因此可以窥视大脑神经细胞的连接形式(突触现象)、蛋白质对亨廷顿氏症(一种神经退化性紊乱疾病)的影响和胚胎内部的细胞分裂……
 
 

资料来源 newscientist.com

责任编辑 则 鸣