“看清”活生生的生物分子

騰月

1665年，羅伯特·胡克用自制的光線顯微鏡發(fā)現(xiàn)了生命的基本組成單位——細胞。從此，顯微鏡讓人們的視野可以拓展到肉眼看不到的微小世界。

細胞看似十分微小，其實還包含更加細小的“零件”，科學家得借助“眼神超好”的超分辨率顯微鏡才能看到它們。在這些科學家中，有三個杰出代表獲得2014年諾貝爾化學獎，他們分別是來自美國的科學家埃里克·白茲格、威廉姆·艾斯科·莫爾納爾，以及來自德國的科學家斯特凡·赫爾。

光波的限制

早在公元前1世紀，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這么一個現(xiàn)象：通過球形透明物體去觀察微小的物體時，可以使其放大成像。1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經(jīng)造出類似顯微鏡的放大儀器。1665年前后，英國生物學家胡克發(fā)明了類似現(xiàn)在學校實驗室里用的顯微鏡，并通過這臺顯微鏡看到了軟木中網(wǎng)格狀的結構，胡克稱之為細胞。這是人類歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，大大推動了生物學的發(fā)展。

自從顯微鏡發(fā)明以來，科學家就不斷對它進行改進，期待獲得更大的放大倍數(shù)和更高的分辨精度。1873年，德國顯微鏡學家恩斯特·阿貝通過計算發(fā)現(xiàn)，由于光波相互干擾的原因，光學顯微鏡不能無限度地放大微小物質，最多只能“看到”光波波長一半的物質，即尺寸不小于200納米的物質。這就是有名的“阿貝原則”，200納米也被稱為光學顯微鏡的“繞射極限”。

“阿貝原則”公布之后，科學家感到十分沮喪，因為分子和原子的尺寸大多在200納米以下。也就是說，光學顯微鏡似乎難以“看到”分子和原子所活動的納米世界了。打個比方來說，如果生命是一座城市，那么細胞就是城市中的每一個房間。我們?nèi)庋壑荒芸吹缴俺鞘小焙推鞴佟⒔M織等“建筑”，光學顯微鏡只能看到細胞“房間”，卻難以看到“房間”內(nèi)的物品。

因此，科學家開始發(fā)明多種能“看清”納米世界的電子顯微鏡。這些顯微鏡居然可以看到最小尺寸為0.2納米的原子，是光學顯微鏡精度的1 000倍！

讓分子發(fā)光

正當電子顯微鏡大展身手的時候，分子生物學家很快發(fā)現(xiàn)了一個問題：在物理學和化學研究中得心應手的電子顯微鏡，到了分子生物學研究中往往有些“水土不服”。因為電子顯微鏡不能研究活物，它們必須把細胞“殘忍地殺死”后才能進行觀察。這樣一來，生物學家就難以研究分子在活細胞中的正常活動。

于是，生物學家就得重新考慮如何研制出精度超越200納米的光學顯微鏡。顯然，按照傳統(tǒng)的方法繼續(xù)研究，那就是“鉆牛角尖”了，到了必須換種思路來突破“繞射極限”。這種新思路還真被科學家想到了，那就是不再用外來的光源觀察細胞，而是讓細胞中的分子發(fā)出熒光來觀察它們。因此，目前生物學家所用的超分辨率顯微鏡也叫熒光顯微鏡。

如何讓細胞中的分子發(fā)出熒光呢？赫爾發(fā)明了熒光手電來解決這個問題。赫爾先利用成熟的分子染色技術給細胞注射熒光物質，熒光物質像染料一樣沾染到細胞中的生物大分子上。然后，利用熒光手電發(fā)出極細的激光束照射生物大分子，大分子上的熒光物質被激發(fā)而發(fā)出熒光，就像是生物大分子本身發(fā)光一樣。

突破極限

為何發(fā)出熒光的細胞就可以讓光學顯微鏡突破極限呢？因為在周圍環(huán)境黑暗的情況下，顯微鏡就可以看到細胞中發(fā)光的分子。有一個很好的例子可以說明這個問題。在明亮的白天，我們很難看到幾百米外的一盞燈泡;如果是在漆黑的夜晚，這盞燈泡亮起來之后，我們就可以看到它了。

如果夜晚遠處只有一盞燈，我們可以很好地分辨出這盞燈。如果夜晚遠處有一大片燈，甚至有一座明亮的城市，我們就很難分辨其中的一盞燈，這是因為光線相互干擾，“阿貝原則”又起作用了。因此，赫爾得想辦法消除光線干擾。他改進熒光手電，讓它可以發(fā)出一束激光讓生物分子發(fā)光，再用另一束激光消除其他熒光，通過兩束激光交替掃描細胞，就可以“看清”生物中的大分子了。

莫爾納爾和白茲格進一步想出了一些辦法，消除或濾掉細胞中多余的熒光，結果讓顯微鏡居然成功地“看到”單個的生物分子，這被稱為單分子熒光顯微鏡。

活生生的納米世界

諾貝爾化學獎評委會認為：“理論上講，如今沒有什么物質結構小得無法研究。”在電子顯微鏡時代，納米世界就像沙漠一樣一片死寂，其中的所有物質都靜靜地躺在那里。然而，超分辨率光學顯微鏡讓我們可以看到活生生的納米世界，所有的生物分子按照它們原本的“生活方式”繼續(xù)活動，就像顯微鏡、熒光染料、激光這些東西不存在一樣。

有了超分辨光學顯微鏡，科學家就可以從分子層面看到生命生老病死所帶來的變化，為研究疾病機理和開發(fā)藥物提供了一個新的視野。我們將是這些成果的最大受益者，因為這些成果可以更好地維護我們的健康。

隨著超分辨光學顯微鏡的推廣和應用，未來醫(yī)學專家可以對我們的健康進行“精細”護理和治療。未來醫(yī)學專家可以發(fā)現(xiàn)我們的身體中的哪些細胞、哪些分子出了問題，然后有針對性地在這個地方施放藥物，這樣不僅可以治療疾病，還可以最大限度地保護健康的細胞和組織不受到藥物的傷害。