美國(guó)科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國(guó)科學(xué)家斯特凡·黑爾因開發(fā)出超分辨率熒光顯微鏡而獲得2014年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)8日在瑞典首都斯德哥爾摩宣布這一消息時(shí)認(rèn)定，3名科學(xué)家成功突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的極限分辨率，將顯微技術(shù)帶入“納米”領(lǐng)域，讓人類能以更精確的視角窺探微觀世界。
創(chuàng)新破“極限”
3名獲獎(jiǎng)?wù)咧校F(xiàn)年54歲的貝齊格來(lái)自美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所，現(xiàn)年61歲的莫納現(xiàn)任美國(guó)斯坦福大學(xué)教授，現(xiàn)年52歲的黑爾同時(shí)就職于馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所和德國(guó)癌癥研究中心。
長(zhǎng)期以來(lái)，光學(xué)顯微鏡的成像效果被認(rèn)為受到光的波長(zhǎng)限制，無(wú)法突破0.2微米即光波長(zhǎng)二分之一的分辨率極限。這三位科學(xué)家則以創(chuàng)新手段“繞過(guò)”這一極限，通過(guò)激光束激活熒光分子，在熒光分子發(fā)光的時(shí)候通過(guò)特別手段消除或過(guò)濾掉多余熒光，從而獲得比“極限”更精確的成像。
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)在當(dāng)天發(fā)表的聲明中說(shuō)，通過(guò)熒光分子的幫助，這些科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了這一突破，使用這一革命性顯微技術(shù)在各自專業(yè)領(lǐng)域研究生命的最微小組成部分。
其中，黑爾通過(guò)研究神經(jīng)細(xì)胞了解大腦突觸現(xiàn)象，莫納研究與亨廷頓氏癥(一種神經(jīng)退化性紊亂疾病)相關(guān)的蛋白質(zhì)，貝齊格研究胚胎內(nèi)部的細(xì)胞分裂。
探索“無(wú)止境”
這一“納米顯微”技術(shù)問(wèn)世前，人類憑借光學(xué)顯微鏡對(duì)細(xì)胞內(nèi)分子作用的觀察一直存在局限。
按照諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)的說(shuō)法，3位科學(xué)家的成果將顯微技術(shù)帶入“納米”領(lǐng)域，讓人類能夠“實(shí)時(shí)”觀察活細(xì)胞內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為疾病研究和藥物研發(fā)帶來(lái)革命性變化。
“在帕金森氏癥、阿爾茲海默氏癥(老年癡呆癥)或亨廷頓氏癥發(fā)作時(shí)，他們(科學(xué)家)可以跟蹤與之有關(guān)的蛋白質(zhì)(變化)；受精卵分裂并發(fā)育成胚胎的過(guò)程中，他們也可以觀察這些單個(gè)蛋白質(zhì)(變化)，”諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)說(shuō)，3人的研究成果為微生物研究帶來(lái)了幾乎無(wú)限的可能，“理論上講，如今沒(méi)有什么物質(zhì)結(jié)構(gòu)小得無(wú)法研究?！?/p>
如今，“納米顯微”技術(shù)在世界范圍內(nèi)被廣泛運(yùn)用，每天人類都能從其帶來(lái)的新知識(shí)中獲益。
獲獎(jiǎng)“太意外”
獲得諾貝爾獎(jiǎng)，對(duì)德國(guó)科學(xué)家黑爾似乎太過(guò)意外。他告訴諾貝爾獎(jiǎng)基金會(huì)，接到電話時(shí)，他正在安靜地閱讀一篇科研論文，以為打來(lái)的是一個(gè)惡作劇電話。
“太令人意外了，我沒(méi)敢相信。我一開始覺(jué)得這可能是個(gè)惡作劇，”黑爾說(shuō)，“幸運(yùn)的是，我記得(瑞典皇家科學(xué)院常任秘書)諾爾馬克教授的聲音，我意識(shí)到(他)旁邊還有其他人……才認(rèn)為這是真的?！?/p>
不過(guò)，黑爾沒(méi)有陷入驚喜中，而是掛完電話繼續(xù)閱讀論文。
“我讀完了那篇我希望讀到結(jié)尾的論文，然后再給我妻子打電話，還有幾個(gè)和我關(guān)系密切的人。”黑爾說(shuō)，他沒(méi)有去理會(huì)如潮水般涌來(lái)的電話和采訪請(qǐng)求。
回憶起研究成果，黑爾說(shuō)，他的研究最開始時(shí)遭到業(yè)內(nèi)人士的強(qiáng)烈抵制，“人們覺(jué)得這個(gè)‘極限’自1873年就存在，再去做一些研究……有點(diǎn)瘋狂，不太現(xiàn)實(shí)”。
“然而，我的觀點(diǎn)是，20世紀(jì)發(fā)生了那么多物理學(xué)(研究發(fā)現(xiàn))……我覺(jué)得一定有某種東西或現(xiàn)象能幫助你突破那個(gè)極限，”黑爾說(shuō)，“我一直都樂(lè)于挑戰(zhàn)事物，挑戰(zhàn)公共智慧?！?/p>
本版據(jù)新華社京華時(shí)報(bào)記者郭瑩 張思佳
□解讀 顯微鏡下的更小世界
從光學(xué)顯微鏡到能探知納米世界的超分辨率顯微鏡，2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)所表彰的科學(xué)研究突破了以往物體觀測(cè)尺寸的界限，使人類得以研究更微小的世界。
北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心研究員孫育杰介紹，超分辨率熒光顯微技術(shù)主要應(yīng)用于生物領(lǐng)域。孫育杰說(shuō)，傳統(tǒng)光成像分辨率一般是波長(zhǎng)的一半200納米。這個(gè)分辨率在細(xì)胞成像上有些大了。很多細(xì)胞結(jié)構(gòu)小于這個(gè)，很多生物分子排列很緊，這樣也看不到。因此，科學(xué)家們致力于超分辨率領(lǐng)域的研究。
孫育杰介紹，超分辨率領(lǐng)域的發(fā)展分為三個(gè)階段，在1994年，德國(guó)人斯特凡·黑爾最先從原理和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了超分辨率，當(dāng)時(shí)稱為STED，但因?yàn)樯锛嫒菪院懿?，很容易將生物樣品燒壞，因此一直沒(méi)能大范圍應(yīng)用。2006年，此次諾獎(jiǎng)得主埃里克·貝齊格與華裔科學(xué)家莊小威幾乎在同一時(shí)間各自獨(dú)立發(fā)表論文，發(fā)明了新的超分辨率技術(shù)。二者在原理上非常像，且生物兼容性非常好，“這個(gè)技術(shù)一下子火起來(lái)”。
此后，最早推出超分辨率技術(shù)的黑爾教授也在技術(shù)上不斷改革，使得生物兼容性很好。因此，目前該領(lǐng)域主要廣泛使用這三種技術(shù)?！斑@3個(gè)技術(shù)都很成熟，也有公司投入生產(chǎn)。比如尼康、奧林巴斯等，已經(jīng)商用化了。北京還有10多家實(shí)驗(yàn)室在用這個(gè)技術(shù)。”
目前，這幾種技術(shù)把傳統(tǒng)成像分辨率提高了10到20倍，最好的能達(dá)到10納米，“這種提高是非常了不起的”。因此，超分辨率技術(shù)推出后，科學(xué)家們可以看到細(xì)胞內(nèi)的細(xì)節(jié)，包括細(xì)胞結(jié)構(gòu)，分子間的相互作用，相互定位及動(dòng)態(tài)過(guò)程等。“好比一個(gè)近視眼的人突然戴上了合適的眼鏡”。
化學(xué)獎(jiǎng)屬于跨界出品
物理學(xué)的原理和技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域，最后卻獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這令一些人感到困惑。對(duì)此，孫育杰說(shuō)，這幾個(gè)技術(shù)都是跨界技術(shù)。實(shí)際上黑爾和莊小威都是物理專業(yè)畢業(yè)。他們都是一直從事物理研究，最后轉(zhuǎn)做生物，用物理理論解決了生物的技術(shù)需求。“這是一個(gè)典型的技術(shù)諾貝爾獎(jiǎng)，也是跨界的結(jié)果”。
對(duì)于此技術(shù)獲得化學(xué)獎(jiǎng)，他說(shuō)這幾類技術(shù)實(shí)現(xiàn)超分辨率，都是利用熒光探針的性質(zhì)，包括化學(xué)有機(jī)染料、熒光蛋白等。在2008年也有科學(xué)家憑借熒光蛋白獲得過(guò)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。“這其實(shí)是個(gè)生物領(lǐng)域”。他表示，這個(gè)技術(shù)就是利用了生物分子、化學(xué)分子的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了突破衍射極限的超高分辨率成像。
□反應(yīng) 學(xué)界為華裔學(xué)者叫屈
昨天，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)公布后，很多學(xué)界專家都認(rèn)為華裔科學(xué)家莊小威更有資格獲得該獎(jiǎng)。
原北大生命科學(xué)院院長(zhǎng)饒毅在第一時(shí)間發(fā)表文章稱，“貝齊格的工作不僅與華裔教授莊小威的工作在物理原理上完全一樣，而且他們研究論文發(fā)表的時(shí)間也一樣，令人不解為何厚此薄彼”。
孫育杰認(rèn)為，在熒光顯微技術(shù)這一領(lǐng)域，莊小威也是極為重要的貢獻(xiàn)人。
有學(xué)者說(shuō)，莫納雖然在成像領(lǐng)域里德高望重，備受尊敬，但是相比諾貝爾獎(jiǎng)，還有一定差距。在質(zhì)量上遠(yuǎn)不如黑爾、貝齊格和莊小威。
據(jù)介紹，莊小威目前任哈佛大學(xué)化學(xué)系和物理系教授，兼北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)成像中心研究員。莊小威畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)少年班，美國(guó)加州大學(xué)物理學(xué)博士、斯坦福大學(xué)博士后，40歲當(dāng)選美國(guó)科學(xué)院院士。
■埃里克·貝齊格
1960年出生于美國(guó)密歇根州，1988年獲得美國(guó)康奈爾大學(xué)博士學(xué)位。美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家、發(fā)明家、應(yīng)用物理學(xué)家，他從康奈爾大學(xué)畢業(yè)后在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作。其主要貢獻(xiàn)是研發(fā)了用于分子生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)的光學(xué)成像工具?，F(xiàn)在美國(guó)弗吉尼亞州霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所工作。
2011年7月，貝齊格接受BBC的采訪介紹超分辨率顯微鏡技術(shù)時(shí)說(shuō)，我們第一次掌握了這種技術(shù)，可以讓我們了解正在發(fā)生的復(fù)雜的三維動(dòng)態(tài)。
2006年，超高分辨率顯微鏡研究行業(yè)翻開了新的篇章。貝齊格和其他三個(gè)科研小組幾乎同時(shí)發(fā)表了他們提高顯微鏡分辨率的科研成果。貝齊格和研究伙伴一起在2006年的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。
■斯特凡·黑爾
1962年生于羅馬尼亞阿拉德，于1981年進(jìn)入德國(guó)海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)，并于1990年獲得海德堡大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為德國(guó)籍，是馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所所長(zhǎng)之一。
1991年至1993年，黑爾在位于德國(guó)海德堡的歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室從事研究工作。1993年至1996年在芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)的物理醫(yī)學(xué)系從事研究工作。1994年，黑爾發(fā)明了STED顯微鏡，是超分辨率顯微技術(shù)的一大突破。
1997年，黑爾遷往哥廷根，成為馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)在哥廷根的生物物理化學(xué)研究所的研究員。2003年至今，黑爾也是位于海德堡的德國(guó)癌癥研究中心高分辨率光學(xué)顯微技術(shù)部門的主任。
2002年，黑爾獲德國(guó)雷賓赫激光技術(shù)獎(jiǎng)。2008年，曾獲德國(guó)科學(xué)技術(shù)最高獎(jiǎng)——萊布尼茨獎(jiǎng)。
■威廉·莫納
1953年生于美國(guó)加利福尼亞州的普萊森頓，1982年獲得康奈爾大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國(guó)斯坦福大學(xué)哈利·S·莫什講座教授，是單分子光譜和熒光光譜領(lǐng)域的著名專家。
1981年至1995年，莫納在IBM位于加利福尼亞州圣荷西的研究中心擔(dān)任研究人員和管理人員。1993年至1994年，在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院擔(dān)任訪問(wèn)客座教授。1995年至1998年，在加利福尼亞大學(xué)擔(dān)任杰出教授(物理化學(xué)領(lǐng)域)。1998年至今，在斯坦福大學(xué)擔(dān)任教授。
莫納曾獲得不少榮譽(yù)，1984年獲得羅杰·I·威爾金斯全美杰出年輕電氣工程師獎(jiǎng)；2001年獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)厄爾勒·K·普利勒獎(jiǎng)；2008年獲得以色列沃爾夫獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)；2009年獲得歐文·朗繆爾化學(xué)物理學(xué)獎(jiǎng)。