2014年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者的科學(xué)技術(shù)方法研究

余冰倩

（南京中醫(yī)藥大學(xué)，江蘇 南京 210046）

2014年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予兩名美國(guó)科學(xué)家以及一名德國(guó)科學(xué)家，以表彰他們?cè)凇俺叻直媛薀晒怙@微技術(shù)”方面的貢獻(xiàn)。來(lái)自美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的埃里克·本茨格（Eric Betzig），德國(guó)馬克斯普朗克生物物理化學(xué)研究所的史蒂芬·赫爾（Stefan W.Hell）以及美國(guó)斯坦福大學(xué)的威廉?默爾納（William E.Moerner）共同分享了今年的化學(xué)獎(jiǎng)。

本次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果中獎(jiǎng)勵(lì)了兩種不同的技術(shù)途徑，這兩種途徑都打破了顯微技術(shù)專(zhuān)家Ernst Abbe提出的傳統(tǒng)顯微成像技術(shù)的物理極限值：這種技術(shù)的分辨率將永遠(yuǎn)不能超過(guò)0.2微米，從而開(kāi)創(chuàng)性地將光學(xué)顯微成像技術(shù)的極限拓展到了納米尺度。其中一種是由史蒂芬·赫爾在2000年開(kāi)發(fā)出來(lái)的受激發(fā)射減損顯微鏡（STED）技術(shù)，另一種是由埃里克·本茨格和威廉·默爾納開(kāi)創(chuàng)的單分子顯微成像技術(shù)。

這三位科學(xué)家突破性的成功與他們正確的科學(xué)研究方法是分不開(kāi)的。

首先，是觀察法，默爾納——世界上首位成功測(cè)量單個(gè)熒光分子光吸收的科學(xué)家，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)GFP熒光分子的一種，其熒光可以被隨意開(kāi)啟或關(guān)閉。當(dāng)他用波長(zhǎng)488納米的光線激發(fā)這一蛋白質(zhì)時(shí)，它開(kāi)始發(fā)出熒光，但一會(huì)之后它就熄滅了。此后不管他再使用多少光線去照射它，這個(gè)蛋白質(zhì)的熒光都已經(jīng)死了。然而，此后他發(fā)現(xiàn)，如果使用波長(zhǎng)為405納米的光線去照射它，那么這個(gè)蛋白質(zhì)又能再次復(fù)活并發(fā)出熒光。當(dāng)該蛋白質(zhì)被再次激活，它會(huì)再次發(fā)出波長(zhǎng)為488納米的熒光。默爾納將這些可以被激發(fā)的蛋白質(zhì)融入一種溶膠，使其均勻散布其中，這樣其單個(gè)分子之間的距離就能大于0.2微米的長(zhǎng)度。由于這些分子被分散開(kāi)來(lái)，一臺(tái)常規(guī)的光學(xué)顯微鏡便可以區(qū)分來(lái)自單個(gè)分子發(fā)出的熒光——它們就像是帶著開(kāi)關(guān)的微小燈泡。通過(guò)這一發(fā)現(xiàn)，默爾納顯示了通過(guò)光學(xué)手段操控單個(gè)分子熒光的可能性。同樣，本茨格也是通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)了一種可以隨意開(kāi)啟或關(guān)閉其熒光的蛋白質(zhì)，從而意識(shí)到熒光分子并不一定需要具有不同的顏色，它們只要能在不同的時(shí)間發(fā)出熒光就可以了。這正是他突破Abbe衍射極限的關(guān)鍵所在。因此，要想沖破束縛有所創(chuàng)新，在科研的同時(shí)必須要有敏銳的觀察力，發(fā)現(xiàn)別人所不能發(fā)現(xiàn)的，從而取得突破。

其次，是實(shí)驗(yàn)法，在本茨格發(fā)現(xiàn)可以隨意開(kāi)啟或關(guān)閉其熒光的蛋白質(zhì)后的短短一年，他便與其他研究激發(fā)熒光蛋白的科學(xué)家們一起，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明了他的技術(shù)方案在實(shí)踐中是可行的。在許多不同的實(shí)驗(yàn)中，有一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是將該蛋白質(zhì)與溶酶體外膜結(jié)合，這里是細(xì)胞的回收站。在光信號(hào)刺激下，蛋白質(zhì)發(fā)出熒光，但由于光線非常弱，只有一部分的蛋白質(zhì)發(fā)光。由于數(shù)量少，幾乎每個(gè)分子之間的距離都要超過(guò)Abbe衍射極限所限定的0.2微米長(zhǎng)度。于是，在顯微鏡下，每一個(gè)發(fā)光分子的位置都可以被非常精確的記錄下來(lái)。過(guò)了一會(huì)，等到這些分子的熒光逐漸熄滅之后，研究組再激活另外一組蛋白質(zhì)分子，讓它們發(fā)出熒光。同樣的，只有一部分分子會(huì)發(fā)光，我們記錄下每一次發(fā)光分子的圖像。這一過(guò)程被一再重復(fù)。當(dāng)本茨格最終將所有這些圖像疊加在一起時(shí)，他得到了溶酶體外膜結(jié)構(gòu)的超高分辨率圖像。這張圖像的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Abbe衍射極限所限定的值。由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)和科研的成功聯(lián)系密切。

要想在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行突破，光進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)是不夠的，還要根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行大膽假設(shè)，這就是假設(shè)法。1990年在海德堡大學(xué)獲得博士學(xué)位之后，史蒂芬·赫爾一直在設(shè)想超越一個(gè)多世紀(jì)前提出的Abbe極限的方法。當(dāng)他在一本量子光學(xué)書(shū)中讀到有關(guān)受激發(fā)射的內(nèi)容時(shí)，一種全新的想法在他的腦海中逐漸成型。他設(shè)想中的技術(shù)方案，也就是所謂 “受激發(fā)射減損技術(shù)”（STED）中計(jì)劃采用閃光來(lái)激發(fā)所有的熒光分子，隨后利用另外一次閃光讓所有分子熒光熄滅——那些位于中部位置上納米尺度空間內(nèi)的除外。當(dāng)進(jìn)行記錄時(shí)則只記錄下這一部分。讓這一光束掃過(guò)整個(gè)樣品表面，并連續(xù)記錄光強(qiáng)信息，就有可能得到一張整體圖像。每次允許發(fā)出熒光的空間區(qū)域越小，最后得到的圖像分辨率便越高。從原理上說(shuō)，對(duì)于光學(xué)顯微成像的極限再也不復(fù)存在了。2000年，他證明了自己的技術(shù)方法在實(shí)際工作中是可行的。當(dāng)時(shí)他對(duì)大腸桿菌進(jìn)行了攝像，其分辨率是此前任何光學(xué)顯微鏡都從來(lái)未能達(dá)到過(guò)的。史蒂芬·赫爾根據(jù)讀到的受激發(fā)射內(nèi)容，假設(shè)出了一種技術(shù)方案——“受激發(fā)射減損技術(shù)”，其在原理上突破了光學(xué)顯微成像的極限說(shuō)法。

從上三位科學(xué)家成功的歷程我們可以看出，做科研要講究方法，方法對(duì)了，往往事半功倍。北京大學(xué)醫(yī)藥衛(wèi)生分析中心細(xì)胞分析實(shí)驗(yàn)室袁蘭博士認(rèn)為，目前，世界上超分辨率熒光顯微技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是使用的儀器卻是從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)。國(guó)外的超高分辨，發(fā)明之后很快就進(jìn)入市場(chǎng)了，而我們的技術(shù)轉(zhuǎn)化很慢，往往存在理論和實(shí)踐應(yīng)用的脫節(jié)。中國(guó)人的傳統(tǒng)觀念使我們的思想的得到束縛，不能夠大膽的提出假設(shè)，再讓假設(shè)變成實(shí)際。那么我們現(xiàn)在要做的，就是解放思維，這又會(huì)牽扯到中國(guó)的教育問(wèn)題。國(guó)外的技術(shù)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)取得成效之后會(huì)很快投入市場(chǎng)，用以改進(jìn)人們的生活，而我國(guó)卻存在著許多理論和實(shí)踐應(yīng)用的脫節(jié)。這反映出了我們國(guó)家對(duì)于這些技術(shù)的研究關(guān)注不足，支持不夠，科研人員沒(méi)有從技術(shù)投入中得到資助，從而導(dǎo)致科研人員積極性不高。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的支撐，理論如何變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？

［1］R.RoyBaker，RobertK.Murray.生物化學(xué)[M].人民衛(wèi)生出版社，2009，12，01.

［2］胡喬木.中國(guó)大百科全書(shū)[M].中國(guó)大百科全書(shū)出版社，2009.

［3］成宇.百科知識(shí)[M].中國(guó)大百科全書(shū)出版社，2006，22.