先進顯微鏡揭示細胞之謎

編譯 胡德良

從細胞最初被發現至今已有350多年了，但是從很多方面來講，細胞仍然是個謎。隨著顯微鏡技術的不斷進步，研究人員逐漸揭開了細胞的秘密。

生物物理學家溫弗里德·威格雷貝（Winfried Wiegraebe）說：“打開任何生物學課本，你都會看到一個渾圓的細胞頗具藝術性地呈現在你面前。”然而，事實更為復雜。在西雅圖的艾倫細胞科學研究所，威格雷貝的團隊一直在對單個細胞的行為進行三維建模。他們最近發現，即使是同一類型的細胞，也沒有兩個形狀是相同的，更不要說呈真正的圓形了。威格雷貝說：“我們感到很驚訝！”

從細胞最初被發現至今已有350多年了，但是從很多方面來講，細胞仍然是個謎。它們如何分別形成了大腦細胞、肌肉細胞或其他大約200種不同類型的人類細胞？它們又是如何隨著年齡的增長而變化的呢？更為根本的是，這些細胞里有水和化學物質，它們如何將一組DNA指令轉化為一種能夠自主行為和協調行為的動態生物呢？

在過去的十年里，這些問題的答案成為人們關注的焦點。多虧顯微鏡技術的進步，微生物學家能夠觀察活細胞的相互作用，并且能夠以高分辨率觀察細胞內部。然而，數百年來人們認為如此高的分辨率是物理上不可能達到的。

盡管顯微鏡在其中起到了很大的作用，但這不僅僅是因為有人設計了一臺更高級的顯微鏡，生物學家已經成為多學科專家，他們吸收了其他領域的專業知識來探索最小尺度的生命世界，多領域的技術結合開辟了一種觀察細胞內部活性的全新方式。加州大學伯克利分校的埃里克·貝齊格（Eric Betzig）在這一領域的研究為他贏得了2014年的諾貝爾化學獎，他認為這種新的認識預示著，人們的看法將不同于從牛頓到愛因斯坦的時代，即將發生巨大的轉變。盡管這一點仍需拭目以待，但毫無疑問的是：跟我們教科書上以理想的方式展現出來的細胞相比，真實的細胞更具活力和復雜性。

加州大學伯克利分校的顯微鏡學家兼該校戈盧布收藏館館長史蒂文·魯津（Steven Ruzin）說：“現在，我們有能力在活細胞中發現我們以前無法找到的東西，我甚至在10年前就已經說過這話了。” 魯津把大量的新數據比作是海嘯。戈盧布收藏館的特色收藏中擁有過去350年間的160多臺顯微鏡。

生物學家使用的顯微鏡跟許多高中使用的顯微鏡不同，是有光源照亮標本的。這些顯微鏡受衍射定律的限制，分辨率在模糊的250納米以外。通過這些顯微鏡，你可以看到紅細胞（7 000納米）和細菌（300到5 000納米），也可以看到其中一些單獨的成分，但是，幾乎看不到所有的病毒、蛋白質和許多其他結構。

此外，由于細胞是透明的，研究人員經常將細胞殺死，然后染色，以提供更好的對比度。因此在過去，科學家們通常像驗尸官一樣，戳一戳細胞尸體，給它們注射毒素。魯津說：“這樣的做法已有幾百年的歷史了。”

1931年，恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）和馬克斯·諾爾（Max Knoll）發現了如何利用電子來代替用來照亮標本的光子，從而制造出第一臺電子顯微鏡。電子的波長比光短得多，因此能夠使其分辨率達到50皮米（相當于1納米的1/20），大致相當于氫原子中原子核與電子之間的距離。

電子顯微鏡擁有極高的分辨率，但是，電子顯微鏡無法穿透細胞表面，除非研究人員把細胞切成薄片。因此，生物學家繼續研究死亡標本。后來，突然有人說：“天哪，我們不應該這么做，因為這樣做人為因素太多了！”他們突然想到，驗尸官是不適合研究生命的！

在20世紀90年代和21世紀初期，生物學家在學習如何讓細胞存活以及如何觀察細胞和拍攝細胞，同時顯微鏡技術的一個突破性進展也正在醞釀之中。從2000年開始，一系列論文紛紛宣布，超分辨率顯微鏡出現了：這套顯微工具可以讓科學家以幾十納米的分辨率看到活細胞的內部，這個分辨率是長期以來公認可達到的最佳分辨率的1/10。

包括貝齊格在內的三位科學家分享了2014年的諾貝爾化學獎，因為他們創造了不同類型的熒光顯微鏡，使人們能夠在光衍射極限以下觀察活細胞內的結構和蛋白質。

熒光顯微鏡利用的是熒光團，熒光團是吸收特定波長的光之后發出熒光分子。對這些分子可以進行基因編碼，也可以通過化學方式將其附著在標本的分子上，在這種情況下這些分子被稱為“探針”。傳統顯微鏡將標本置于光線之下，產生高對比度圖像。熒光顯微鏡有所不同，這種顯微鏡觀察的細胞是暗的，只有星星點點的熒光穿透細胞。你可以想象一下：在一個漆黑的俱樂部里，你可以通過彩色發光棒找到你的朋友。

貝齊格意識到，通過反復成像和疊加圖像，他的團隊可以重建3D標本。這有點像光束燈，快速移動并照射著整個房間，擁有全方位的照射角度，而不會擾亂黑暗氣氛或狂歡者。威格雷貝解釋說，熒光顯微鏡的優勢在于，科學家可以利用熒光團標記特定的結構，然后直接觀察它們在細胞內部的活動。

然而，即使這種方法也有局限性，科學家們看不到任何沒有色彩編碼的東西。出于各種各樣的原因（其中許多是化學原因），科學家們在每個標本中只能使用少數幾個探針，但是在人類細胞中有數千種蛋白質和幾十種不同的結構。密歇根大學生物物理學家薩拉·維奇（Sarah Veatch）正在利用熒光顯微鏡研究卡進細胞膜中的蛋白質，她說：“如果不是正在尋找的東西，你就發現不了。”

回到夜總會的那個比喻上來：你的朋友拿著五顏六色的熒光棒，你可以很容易地認出他們。但是，如果周圍的東西沒有類似的區別性發光設計，那么你就不知道周圍是桌椅還是其他顧客。

為了更加全面地理解細胞，研究人員越來越多地利用其他學科的工具了。在過去的十年中，超分辨率方法激增，其中許多方法是由計算機和機器人技術的進步所推動的。有些方法利用高速相機或反差色相機的處理能力來分辨這些圖像或跟蹤微小的變化。冷凍電鏡使用新的快速冷凍技術來有效拍攝細胞的所有成分。同時，研究人員也在利用機器人技術。

日本電子光學公司（JEOL）是一家制造電子顯微鏡等儀器的全球制造商，公司資深的銷售與產品經理弗恩·羅伯遜（Vern Robertson）說：“自動化和機械化使標本和光束非常穩定，足以利用這種新的分辨率來創建3D圖像。然后，通過從各種不同角度拍攝的數千張圖像來重建標本，這就是大量自動化和計算功能介入的優勢?！?/p>

俄勒岡大學物理學家本·麥克莫倫（Ben McMorran）稱：“由于信息很多，科學家們很難僅僅用眼睛來辨別哪些信息是重要的，哪些信息是新的，我們越來越依賴機器學習和機器視覺了。因此，我們在電腦中輸入一系列看起來正常的數據，而電腦變得越來越擅長識別數據是否正常，然后會提請我們注意?！?/p>

麥克莫倫正在探索一種被稱為“掃描透射電鏡全息術”的方法，這種方法利用機器人自動化和電子的概率性穿行，從每個可能的角度掃描冷凍的標本。通過識別電子相位的微妙變化，能夠重建標本內部的信息。

隨著技術的進步，顯微鏡在某些方面已經超過了人的眼睛。有時，計算機可以重新組合數據，以提供單一數據源無法提供的信息。在艾倫細胞科學研究所，威格雷貝及其同事正在將真實數據和預測模型結合起來，創建細胞圖像。最近，他們發布了名為“整合有絲分裂干細胞”的成果，以3D交互的方式展示了15個關鍵的細胞結構是如何隨著細胞分裂而發生變化的。

在最近一次新聞發布會上，艾倫細胞科學研究所執行所長里克·霍維茨（Rick Horwitz）說：“一旦你將這一過程視為一幅完整的畫面，你就可以揭示出乎意料的關系，可以針對全新的問題進行提問和作答?！?/p>

維奇正在使用超分辨率成像來研究細胞壁或細胞膜中的特定蛋白質如何影響受體在細胞表面上的相互作用。這項研究對于癌癥免疫療法很重要，它根據癌細胞表面的信號受體，訓練個人的免疫系統，使其靶向攻擊特定的癌癥病灶。她將這些新型超分辨率方法與細胞生物學家的顯微鏡進行了比較：“利用超分辨率，你不僅能夠看到微小的東西，還能夠更加清晰地看到正在尋找的微弱變化?！?/p>

貝齊格認為：“到目前為止，我們的理解過于簡單化了，而且也許過于機械化了，我們沒有弄明白的情況還有許多。細胞中常發生很多不易分類、不易解釋的情況，這是一個極其復雜的環境，是由可變性和偶然性驅動的，人們將開始利用一種全新的方式來看待生命系統。”