高分辨率荧光显微技术

2016-06-27新闻资讯

凤凰科技讯 北京时间10月9日消息 诺贝尔化学奖于当地时间10月8日揭晓,获奖者为来自美国的埃里克•白兹格(Eric Betzig)教授和威廉姆•艾斯科•莫尔纳尔(William Esco Moerner)教授,以及来自德国的斯特凡•W•赫尔(Stefan W.Hell)教授,为了表彰他们在改善光学显微镜分辨率所作出的贡献。他们利用荧光拓展了光学显微镜的极限,获奖者将共享800万瑞典克朗(约70万英镑)的奖金。

超分辨率荧光显微镜

诺贝尔奖委员会主席、瑞典隆德大学的材料化学家斯文•利丁(Sven Lidin)教授表示:“获奖者在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就使得实时研究分子过程变为可能。”在此之前光学显微镜面临的假定局限之一在于无法获得比可见光波长的一半更高的分辨率。这一假定是基于阿贝光学衍射极限,后者是以1873年德国显微镜学家恩斯特•阿贝(Ernst Abbe)提出的方程式为名。今年的诺贝尔化学将得主利用荧光分子规避这一极限,使得科学家们可以以更高的分辨率进行观测。

这项发明使得科学家们可以将活体细胞里的单个分子活动可视化。德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的赫尔教授解释称:“我对这个课题感到疲倦,我感觉这是19世纪的物理。我非常好奇利用光学显微镜是否能产生某些意义深远的发现。我发现衍射极限似乎是唯一遗留下的重要问题。”

“最终我意识到一定有一种方法可以开关分子使得你可以观察到以前无法观测到的临近事物。”

原子级分辨率的层面上观察病毒

规避衍射极限的0.2微米意味着现在光学显微镜可以窥探纳米的世界。美国化学协会主席托马斯•巴顿(Thomas Barton)就这一颁奖消息作出评论时表示:“从我个人角度而言,最令人印象深刻的便是观察小的分子,从原子级分辨率的层面上观察病毒。此外,(科学家)还能够观察活体,而不是必须先牺牲活体再在真空里观察它们,就像透射电子光谱学所进行的过程。”

“而现在可以实现的真是不可思议。从我个人的经历来说,如果在50年前你说可以从纳米级别观察事物,众人肯定笑你痴人说梦。”

英国皇家化学学会主席多米尼克•提德斯利(Dominic Tildesley)评论道:“超高分辨率荧光光谱技术使得科学家们可以窥探活体神经细胞内部,从而探索大脑突触,研究亨廷顿舞蹈症所涉及的蛋白质并追踪胚胎里的细胞分化——从而将对整个人体所发生的一切的理解精确到纳米级别。两者都涉及光,两者的基础都根植于化学和物理,今天颁发的化学奖和昨天颁布的物理学奖都强调了科学的跨学科本质。”

图4

诺贝尔化学奖奖励了对同一原则的两个单独方法,其中一种技术是受激发射减损显微镜( stimulated emission depletion microscopy, STED),它是由赫尔教授于2000年提出的。而另一种是由美国阿什本霍华德休斯医学研究所的白兹格教授和美国加州大学斯坦福大学的莫尔纳尔教授独立提出的单细胞显微镜学。

英国剑桥癌症研究所光学显微镜术负责人斯特凡尼•瑞切特(Stefanie Reichelt)博士在这她的研究中使用了这些技术,当得知这些方法得到了诺贝尔奖的认可时,她感到非常惊讶。“(这些技术)极大的改变了科学,这真是不可思议,它开启了如此多的新领域和新问题。突破了分辨率极限,你就可以清楚的看到蛋白质之间的相互作用,DNA伸展——如果你可以精确到这个层面上,你就可以观察到活体细胞,这真是向前迈出的一大步。你几乎不再需要生物化学!生物化学相对更抽象。因为你有了溶液和导管,你就可以由此推断发生的情况。”

图5

过去几年的诺贝尔化学奖得主:

2013年-迈克尔•李维特(Michael Levitt)、马丁•卡普拉斯(Martin Karplus)和亚利耶•瓦谢尔(Arieh Warshel)因改进化学过程的电脑仿真而共同获得诺贝尔化学奖。

2012年-罗伯特•莱夫科维茨(Robert Lefkowitz)和布莱恩•克比尔卡(Brian K. Kobilka)因研究蛋白质受体是如何将信号在活体细胞和环境之间传递的而获得当年诺贝尔化学奖。

2011年-丹-谢兹曼(Dan Schechtman)因发现准晶体的“不可能”结构而获得当年诺贝尔化学奖。

2010年-理查德•赫克(Richard Heck)、根岸英一(Ei-ichi Negishi)和铃木章(Akira Suzuki)因提出连接碳原子的新方法而获得当年诺贝尔化学奖。

2009年-文卡特拉曼•拉马克里希南( Venkatraman Ramakrishnan)、托马斯•施泰茨(Thomas Steitz)和阿达•约纳特(Ada Yonath)因发现人体细胞“蛋白质工厂”的结构和功能而获得当年诺贝尔化学奖。(编译/严炎刘星)