“看清”活生生的生物分子

腾月

1665年，罗伯特·胡克用自制的光线显微镜发现了生命的基本组成单位——细胞。从此，显微镜让人们的视野可以拓展到肉眼看不到的微小世界。

细胞看似十分微小，其实还包含更加细小的“零件”，科学家得借助“眼神超好”的超分辨率显微镜才能看到它们。在这些科学家中，有三个杰出代表获得2014年诺贝尔化学奖，他们分别是来自美国的科学家埃里克·白兹格、威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔，以及来自德国的科学家斯特凡·赫尔。

光波的限制

早在公元前1世纪，人们就已经发现了这么一个现象：通过球形透明物体去观察微小的物体时，可以使其放大成像。1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。1665年前后，英国生物学家胡克发明了类似现在学校实验室里用的显微镜，并通过这台显微镜看到了软木中网格状的结构，胡克称之为细胞。这是人类历史上最伟大的发现之一，大大推动了生物学的发展。

自从显微镜发明以来，科学家就不断对它进行改进，期待获得更大的放大倍数和更高的分辨精度。1873年，德国显微镜学家恩斯特·阿贝通过计算发现，由于光波相互干扰的原因，光学显微镜不能无限度地放大微小物质，最多只能“看到”光波波长一半的物质，即尺寸不小于200纳米的物质。这就是有名的“阿贝原则”，200纳米也被称为光学显微镜的“绕射极限”。

“阿贝原则”公布之后，科学家感到十分沮丧，因为分子和原子的尺寸大多在200纳米以下。也就是说，光学显微镜似乎难以“看到”分子和原子所活动的纳米世界了。打个比方来说，如果生命是一座城市，那么细胞就是城市中的每一个房间。我们肉眼只能看到生命“城市”和器官、组织等“建筑”，光学显微镜只能看到细胞“房间”，却难以看到“房间”内的物品。

因此，科学家开始发明多种能“看清”纳米世界的电子显微镜。这些显微镜居然可以看到最小尺寸为0.2纳米的原子，是光学显微镜精度的1 000倍！

让分子发光

正当电子显微镜大展身手的时候，分子生物学家很快发现了一个问题：在物理学和化学研究中得心应手的电子显微镜，到了分子生物学研究中往往有些“水土不服”。因为电子显微镜不能研究活物，它们必须把细胞“残忍地杀死”后才能进行观察。这样一来，生物学家就难以研究分子在活细胞中的正常活动。

于是，生物学家就得重新考虑如何研制出精度超越200纳米的光学显微镜。显然，按照传统的方法继续研究，那就是“钻牛角尖”了，到了必须换种思路来突破“绕射极限”。这种新思路还真被科学家想到了，那就是不再用外来的光源观察细胞，而是让细胞中的分子发出荧光来观察它们。因此，目前生物学家所用的超分辨率显微镜也叫荧光显微镜。

如何让细胞中的分子发出荧光呢？赫尔发明了荧光手电来解决这个问题。赫尔先利用成熟的分子染色技术给细胞注射荧光物质，荧光物质像染料一样沾染到细胞中的生物大分子上。然后，利用荧光手电发出极细的激光束照射生物大分子，大分子上的荧光物质被激发而发出荧光，就像是生物大分子本身发光一样。

突破极限

为何发出荧光的细胞就可以让光学显微镜突破极限呢？因为在周围环境黑暗的情况下，显微镜就可以看到细胞中发光的分子。有一个很好的例子可以说明这个问题。在明亮的白天，我们很难看到几百米外的一盏灯泡;如果是在漆黑的夜晚，这盏灯泡亮起来之后，我们就可以看到它了。

如果夜晚远处只有一盏灯，我们可以很好地分辨出这盏灯。如果夜晚远处有一大片灯，甚至有一座明亮的城市，我们就很难分辨其中的一盏灯，这是因为光线相互干扰，“阿贝原则”又起作用了。因此，赫尔得想办法消除光线干扰。他改进荧光手电，让它可以发出一束激光让生物分子发光，再用另一束激光消除其他荧光，通过两束激光交替扫描细胞，就可以“看清”生物中的大分子了。

莫尔纳尔和白兹格进一步想出了一些办法，消除或滤掉细胞中多余的荧光，结果让显微镜居然成功地“看到”单个的生物分子，这被称为单分子荧光显微镜。

活生生的纳米世界

诺贝尔化学奖评委会认为：“理论上讲，如今没有什么物质结构小得无法研究。”在电子显微镜时代，纳米世界就像沙漠一样一片死寂，其中的所有物质都静静地躺在那里。然而，超分辨率光学显微镜让我们可以看到活生生的纳米世界，所有的生物分子按照它们原本的“生活方式”继续活动，就像显微镜、荧光染料、激光这些东西不存在一样。

有了超分辨光学显微镜，科学家就可以从分子层面看到生命生老病死所带来的变化，为研究疾病机理和开发药物提供了一个新的视野。我们将是这些成果的最大受益者，因为这些成果可以更好地维护我们的健康。

随着超分辨光学显微镜的推广和应用，未来医学专家可以对我们的健康进行“精细”护理和治疗。未来医学专家可以发现我们的身体中的哪些细胞、哪些分子出了问题，然后有针对性地在这个地方施放药物，这样不仅可以治疗疾病，还可以最大限度地保护健康的细胞和组织不受到药物的伤害。