2014年度諾貝爾化學獎獲得者的科學技術方法研究

余冰倩

（南京中醫藥大學，江蘇 南京 210046）

2014年度諾貝爾化學獎授予兩名美國科學家以及一名德國科學家，以表彰他們在“超高分辨率熒光顯微技術”方面的貢獻。來自美國霍華德·休斯醫學研究所的埃里克·本茨格（Eric Betzig），德國馬克斯普朗克生物物理化學研究所的史蒂芬·赫爾（Stefan W.Hell）以及美國斯坦福大學的威廉?默爾納（William E.Moerner）共同分享了今年的化學獎。

本次諾貝爾化學獎成果中獎勵了兩種不同的技術途徑，這兩種途徑都打破了顯微技術專家Ernst Abbe提出的傳統顯微成像技術的物理極限值：這種技術的分辨率將永遠不能超過0.2微米，從而開創性地將光學顯微成像技術的極限拓展到了納米尺度。其中一種是由史蒂芬·赫爾在2000年開發出來的受激發射減損顯微鏡（STED）技術，另一種是由埃里克·本茨格和威廉·默爾納開創的單分子顯微成像技術。

這三位科學家突破性的成功與他們正確的科學研究方法是分不開的。

首先，是觀察法，默爾納——世界上首位成功測量單個熒光分子光吸收的科學家，通過觀察發現GFP熒光分子的一種，其熒光可以被隨意開啟或關閉。當他用波長488納米的光線激發這一蛋白質時，它開始發出熒光，但一會之后它就熄滅了。此后不管他再使用多少光線去照射它，這個蛋白質的熒光都已經死了。然而，此后他發現，如果使用波長為405納米的光線去照射它，那么這個蛋白質又能再次復活并發出熒光。當該蛋白質被再次激活，它會再次發出波長為488納米的熒光。默爾納將這些可以被激發的蛋白質融入一種溶膠，使其均勻散布其中，這樣其單個分子之間的距離就能大于0.2微米的長度。由于這些分子被分散開來，一臺常規的光學顯微鏡便可以區分來自單個分子發出的熒光——它們就像是帶著開關的微小燈泡。通過這一發現，默爾納顯示了通過光學手段操控單個分子熒光的可能性。同樣，本茨格也是通過觀察發現了一種可以隨意開啟或關閉其熒光的蛋白質，從而意識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間發出熒光就可以了。這正是他突破Abbe衍射極限的關鍵所在。因此，要想沖破束縛有所創新，在科研的同時必須要有敏銳的觀察力，發現別人所不能發現的，從而取得突破。

其次，是實驗法，在本茨格發現可以隨意開啟或關閉其熒光的蛋白質后的短短一年，他便與其他研究激發熒光蛋白的科學家們一起，通過大量實驗證明了他的技術方案在實踐中是可行的。在許多不同的實驗中，有一項實驗是將該蛋白質與溶酶體外膜結合，這里是細胞的回收站。在光信號刺激下，蛋白質發出熒光，但由于光線非常弱，只有一部分的蛋白質發光。由于數量少，幾乎每個分子之間的距離都要超過Abbe衍射極限所限定的0.2微米長度。于是，在顯微鏡下，每一個發光分子的位置都可以被非常精確的記錄下來。過了一會，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分子，讓它們發出熒光。同樣的，只有一部分分子會發光，我們記錄下每一次發光分子的圖像。這一過程被一再重復。當本茨格最終將所有這些圖像疊加在一起時，他得到了溶酶體外膜結構的超高分辨率圖像。這張圖像的分辨率遠遠超出了Abbe衍射極限所限定的值。由此可見，實驗和科研的成功聯系密切。

要想在前人研究的基礎上進行突破，光進行觀察和實驗是不夠的，還要根據觀察和實驗的結果進行大膽假設，這就是假設法。1990年在海德堡大學獲得博士學位之后，史蒂芬·赫爾一直在設想超越一個多世紀前提出的Abbe極限的方法。當他在一本量子光學書中讀到有關受激發射的內容時，一種全新的想法在他的腦海中逐漸成型。他設想中的技術方案，也就是所謂 “受激發射減損技術”（STED）中計劃采用閃光來激發所有的熒光分子，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的除外。當進行記錄時則只記錄下這一部分。讓這一光束掃過整個樣品表面，并連續記錄光強信息，就有可能得到一張整體圖像。每次允許發出熒光的空間區域越小，最后得到的圖像分辨率便越高。從原理上說，對于光學顯微成像的極限再也不復存在了。2000年，他證明了自己的技術方法在實際工作中是可行的。當時他對大腸桿菌進行了攝像，其分辨率是此前任何光學顯微鏡都從來未能達到過的。史蒂芬·赫爾根據讀到的受激發射內容，假設出了一種技術方案——“受激發射減損技術”，其在原理上突破了光學顯微成像的極限說法。

從上三位科學家成功的歷程我們可以看出，做科研要講究方法，方法對了，往往事半功倍。北京大學醫藥衛生分析中心細胞分析實驗室袁蘭博士認為，目前，世界上超分辨率熒光顯微技術已經很成熟，但是使用的儀器卻是從國外購買。國外的超高分辨，發明之后很快就進入市場了，而我們的技術轉化很慢，往往存在理論和實踐應用的脫節。中國人的傳統觀念使我們的思想的得到束縛，不能夠大膽的提出假設，再讓假設變成實際。那么我們現在要做的，就是解放思維，這又會牽扯到中國的教育問題。國外的技術，經過大量實驗取得成效之后會很快投入市場，用以改進人們的生活，而我國卻存在著許多理論和實踐應用的脫節。這反映出了我們國家對于這些技術的研究關注不足，支持不夠，科研人員沒有從技術投入中得到資助，從而導致科研人員積極性不高。沒有實驗的支撐，理論如何變為現實？

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

［2］胡喬木.中國大百科全書[M].中國大百科全書出版社，2009.

［3］成宇.百科知識[M].中國大百科全書出版社，2006，22.