2014年度诺贝尔化学奖获得者的科学技术方法研究

余冰倩

（南京中医药大学，江苏 南京 210046）

2014年度诺贝尔化学奖授予两名美国科学家以及一名德国科学家，以表彰他们在“超高分辨率荧光显微技术”方面的贡献。来自美国霍华德·休斯医学研究所的埃里克·本茨格（Eric Betzig），德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的史蒂芬·赫尔（Stefan W.Hell）以及美国斯坦福大学的威廉?默尔纳（William E.Moerner）共同分享了今年的化学奖。

本次诺贝尔化学奖成果中奖励了两种不同的技术途径，这两种途径都打破了显微技术专家Ernst Abbe提出的传统显微成像技术的物理极限值：这种技术的分辨率将永远不能超过0.2微米，从而开创性地将光学显微成像技术的极限拓展到了纳米尺度。其中一种是由史蒂芬·赫尔在2000年开发出来的受激发射减损显微镜（STED）技术，另一种是由埃里克·本茨格和威廉·默尔纳开创的单分子显微成像技术。

这三位科学家突破性的成功与他们正确的科学研究方法是分不开的。

首先，是观察法，默尔纳——世界上首位成功测量单个荧光分子光吸收的科学家，通过观察发现GFP荧光分子的一种，其荧光可以被随意开启或关闭。当他用波长488纳米的光线激发这一蛋白质时，它开始发出荧光，但一会之后它就熄灭了。此后不管他再使用多少光线去照射它，这个蛋白质的荧光都已经死了。然而，此后他发现，如果使用波长为405纳米的光线去照射它，那么这个蛋白质又能再次复活并发出荧光。当该蛋白质被再次激活，它会再次发出波长为488纳米的荧光。默尔纳将这些可以被激发的蛋白质融入一种溶胶，使其均匀散布其中，这样其单个分子之间的距离就能大于0.2微米的长度。由于这些分子被分散开来，一台常规的光学显微镜便可以区分来自单个分子发出的荧光——它们就像是带着开关的微小灯泡。通过这一发现，默尔纳显示了通过光学手段操控单个分子荧光的可能性。同样，本茨格也是通过观察发现了一种可以随意开启或关闭其荧光的蛋白质，从而意识到荧光分子并不一定需要具有不同的颜色，它们只要能在不同的时间发出荧光就可以了。这正是他突破Abbe衍射极限的关键所在。因此，要想冲破束缚有所创新，在科研的同时必须要有敏锐的观察力，发现别人所不能发现的，从而取得突破。

其次，是实验法，在本茨格发现可以随意开启或关闭其荧光的蛋白质后的短短一年，他便与其他研究激发荧光蛋白的科学家们一起，通过大量实验证明了他的技术方案在实践中是可行的。在许多不同的实验中，有一项实验是将该蛋白质与溶酶体外膜结合，这里是细胞的回收站。在光信号刺激下，蛋白质发出荧光，但由于光线非常弱，只有一部分的蛋白质发光。由于数量少，几乎每个分子之间的距离都要超过Abbe衍射极限所限定的0.2微米长度。于是，在显微镜下，每一个发光分子的位置都可以被非常精确的记录下来。过了一会，等到这些分子的荧光逐渐熄灭之后，研究组再激活另外一组蛋白质分子，让它们发出荧光。同样的，只有一部分分子会发光，我们记录下每一次发光分子的图像。这一过程被一再重复。当本茨格最终将所有这些图像叠加在一起时，他得到了溶酶体外膜结构的超高分辨率图像。这张图像的分辨率远远超出了Abbe衍射极限所限定的值。由此可见，实验和科研的成功联系密切。

要想在前人研究的基础上进行突破，光进行观察和实验是不够的，还要根据观察和实验的结果进行大胆假设，这就是假设法。1990年在海德堡大学获得博士学位之后，史蒂芬·赫尔一直在设想超越一个多世纪前提出的Abbe极限的方法。当他在一本量子光学书中读到有关受激发射的内容时，一种全新的想法在他的脑海中逐渐成型。他设想中的技术方案，也就是所谓 “受激发射减损技术”（STED）中计划采用闪光来激发所有的荧光分子，随后利用另外一次闪光让所有分子荧光熄灭——那些位于中部位置上纳米尺度空间内的除外。当进行记录时则只记录下这一部分。让这一光束扫过整个样品表面，并连续记录光强信息，就有可能得到一张整体图像。每次允许发出荧光的空间区域越小，最后得到的图像分辨率便越高。从原理上说，对于光学显微成像的极限再也不复存在了。2000年，他证明了自己的技术方法在实际工作中是可行的。当时他对大肠杆菌进行了摄像，其分辨率是此前任何光学显微镜都从来未能达到过的。史蒂芬·赫尔根据读到的受激发射内容，假设出了一种技术方案——“受激发射减损技术”，其在原理上突破了光学显微成像的极限说法。

从上三位科学家成功的历程我们可以看出，做科研要讲究方法，方法对了，往往事半功倍。北京大学医药卫生分析中心细胞分析实验室袁兰博士认为，目前，世界上超分辨率荧光显微技术已经很成熟，但是使用的仪器却是从国外购买。国外的超高分辨，发明之后很快就进入市场了，而我们的技术转化很慢，往往存在理论和实践应用的脱节。中国人的传统观念使我们的思想的得到束缚，不能够大胆的提出假设，再让假设变成实际。那么我们现在要做的，就是解放思维，这又会牵扯到中国的教育问题。国外的技术，经过大量实验取得成效之后会很快投入市场，用以改进人们的生活，而我国却存在着许多理论和实践应用的脱节。这反映出了我们国家对于这些技术的研究关注不足，支持不够，科研人员没有从技术投入中得到资助，从而导致科研人员积极性不高。没有实验的支撑，理论如何变为现实？

［1］R.RoyBaker，RobertK.Murray.生物化学[M].人民卫生出版社，2009，12，01.

［2］胡乔木.中国大百科全书[M].中国大百科全书出版社，2009.

［3］成宇.百科知识[M].中国大百科全书出版社，2006，22.