美國科學家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國科學家斯特凡·黑爾因開發出超分辨率熒光顯微鏡而獲得2014年度諾貝爾化學獎。諾貝爾化學獎評審委員會8日在瑞典首都斯德哥爾摩宣佈這一消息時認定,3名科學家成功突破傳統光學顯微鏡的極限分辨率,將顯微技術帶入“納米”領域,讓人類能以更精確的視角窺探微觀世界。
  創新破“極限”
  3名獲獎者中,現年54歲的貝齊格來自美國霍華德·休斯醫學研究所,現年61歲的莫納現任美國斯坦福大學教授,現年52歲的黑爾同時就職於馬克斯·普朗克生物物理化學研究所和德國癌症研究中心。
  長期以來,光學顯微鏡的成像效果被認為受到光的波長限制,無法突破0.2微米即光波長二分之一的分辨率極限。這三位科學家則以創新手段“繞過”這一極限,通過激光束激活熒光分子,在熒光分子發光的時候通過特別手段消除或過濾掉多餘熒光,從而獲得比“極限”更精確的成像。
  諾貝爾化學獎評審委員會在當天發表的聲明中說,通過熒光分子的幫助,這些科學家實現了這一突破,使用這一革命性顯微技術在各自專業領域研究生命的最微小組成部分。
  其中,黑爾通過研究神經細胞瞭解大腦突觸現象,莫納研究與亨廷頓氏症(一種神經退化性紊亂疾病)相關的蛋白質,貝齊格研究胚胎內部的細胞分裂。
  探索“無止境”
  這一“納米顯微”技術問世前,人類憑藉光學顯微鏡對細胞內分子作用的觀察一直存在局限。
  按照諾貝爾化學獎評審委員會的說法,3位科學家的成果將顯微技術帶入“納米”領域,讓人類能夠“實時”觀察活細胞內的分子運動規律,為疾病研究和藥物研髮帶來革命性變化。
  “在帕金森氏症、阿爾茲海默氏症(老年痴獃症)或亨廷頓氏症發作時,他們(科學家)可以跟蹤與之有關的蛋白質(變化);受精卵分裂併發育成胚胎的過程中,他們也可以觀察這些單個蛋白質(變化),”諾貝爾化學獎評審委員會說,3人的研究成果為微生物研究帶來了幾乎無限的可能,“理論上講,如今沒有什麼物質結構小得無法研究。”
  如今,“納米顯微”技術在世界範圍內被廣泛運用,每天人類都能從其帶來的新知識中獲益。
  獲獎“太意外”
  獲得諾貝爾獎,對德國科學家黑爾似乎太過意外。他告訴諾貝爾獎基金會,接到電話時,他正在安靜地閱讀一篇科研論文,以為打來的是一個惡作劇電話。
  “太令人意外了,我沒敢相信。我一開始覺得這可能是個惡作劇,”黑爾說,“幸運的是,我記得(瑞典皇家科學院常任秘書)諾爾馬克教授的聲音,我意識到(他)旁邊還有其他人……才認為這是真的。”
  不過,黑爾沒有陷入驚喜中,而是掛完電話繼續閱讀論文。
  “我讀完了那篇我希望讀到結尾的論文,然後再給我妻子打電話,還有幾個和我關係密切的人。”黑爾說,他沒有去理會如潮水般涌來的電話和採訪請求。
  回憶起研究成果,黑爾說,他的研究最開始時遭到業內人士的強烈抵制,“人們覺得這個‘極限’自1873年就存在,再去做一些研究……有點瘋狂,不太現實”。
  “然而,我的觀點是,20世紀發生了那麼多物理學(研究發現)……我覺得一定有某種東西或現象能幫助你突破那個極限,”黑爾說,“我一直都樂於挑戰事物,挑戰公共智慧。”
  本版據新華社京華時報記者郭瑩 張思佳
  □解讀 顯微鏡下的更小世界
  從光學顯微鏡到能探知納米世界的超分辨率顯微鏡,2014年諾貝爾化學獎所表彰的科學研究突破了以往物體觀測尺寸的界限,使人類得以研究更微小的世界。
  北京大學生物動態光學成像中心研究員孫育傑介紹,超分辨率熒光顯微技術主要應用於生物領域。孫育傑說,傳統光成像分辨率一般是波長的一半200納米。這個分辨率在細胞成像上有些大了。很多細胞結構小於這個,很多生物分子排列很緊,這樣也看不到。因此,科學家們致力於超分辨率領域的研究。
  孫育傑介紹,超分辨率領域的發展分為三個階段,在1994年,德國人斯特凡·黑爾最先從原理和技術上實現了超分辨率,當時稱為STED,但因為生物兼容性很差,很容易將生物樣品燒壞,因此一直沒能大範圍應用。2006年,此次諾獎得主埃里克·貝齊格與華裔科學家莊小威幾乎在同一時間各自獨立發表論文,發明瞭新的超分辨率技術。二者在原理上非常像,且生物兼容性非常好,“這個技術一下子火起來”。
  此後,最早推出超分辨率技術的黑爾教授也在技術上不斷改革,使得生物兼容性很好。因此,目前該領域主要廣泛使用這三種技術。“這3個技術都很成熟,也有公司投入生產。比如尼康、奧林巴斯等,已經商用化了。北京還有10多家實驗室在用這個技術。”
  目前,這幾種技術把傳統成像分辨率提高了10到20倍,最好的能達到10納米,“這種提高是非常了不起的”。因此,超分辨率技術推出後,科學家們可以看到細胞內的細節,包括細胞結構,分子間的相互作用,相互定位及動態過程等。“好比一個近視眼的人突然戴上了合適的眼鏡”。
  化學獎屬於跨界出品
  物理學的原理和技術,廣泛應用於生命科學領域,最後卻獲得了諾貝爾化學獎,這令一些人感到困惑。對此,孫育傑說,這幾個技術都是跨界技術。實際上黑爾和莊小威都是物理專業畢業。他們都是一直從事物理研究,最後轉做生物,用物理理論解決了生物的技術需求。“這是一個典型的技術諾貝爾獎,也是跨界的結果”。
  對於此技術獲得化學獎,他說這幾類技術實現超分辨率,都是利用熒光探針的性質,包括化學有機染料、熒光蛋白等。在2008年也有科學家憑藉熒光蛋白獲得過諾貝爾化學獎。“這其實是個生物領域”。他表示,這個技術就是利用了生物分子、化學分子的性質,實現了突破衍射極限的超高分辨率成像。
  □反應 學界為華裔學者叫屈
  昨天,諾貝爾化學獎公佈後,很多學界專家都認為華裔科學家莊小威更有資格獲得該獎。
  原北大生命科學院院長饒毅在第一時間發表文章稱,“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表的時間也一樣,令人不解為何厚此薄彼”。
  孫育傑認為,在熒光顯微技術這一領域,莊小威也是極為重要的貢獻人。
  有學者說,莫納雖然在成像領域里德高望重,備受尊敬,但是相比諾貝爾獎,還有一定差距。在質量上遠不如黑爾、貝齊格和莊小威。
  據介紹,莊小威目前任哈佛大學化學系和物理系教授,兼北京大學生物動態成像中心研究員。莊小威畢業於中國科技大學少年班,美國加州大學物理學博士、斯坦福大學博士後,40歲當選美國科學院院士。
  ■埃里克·貝齊格
  1960年出生於美國密歇根州,1988年獲得美國康奈爾大學博士學位。美國神經科學家、發明家、應用物理學家,他從康奈爾大學畢業後在貝爾實驗室工作。其主要貢獻是研發了用於分子生物學、神經科學的光學成像工具。現在美國弗吉尼亞州霍華德·休斯醫學研究所工作。
  2011年7月,貝齊格接受BBC的採訪介紹超分辨率顯微鏡技術時說,我們第一次掌握了這種技術,可以讓我們瞭解正在發生的複雜的三維動態。
  2006年,超高分辨率顯微鏡研究行業翻開了新的篇章。貝齊格和其他三個科研小組幾乎同時發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》雜誌上發表了他們的研究成果。
  ■斯特凡·黑爾
  1962年生於羅馬尼亞阿拉德,於1981年進入德國海德堡大學學習,並於1990年獲得海德堡大學物理學博士學位。現為德國籍,是馬克斯·普朗克生物物理化學研究所所長之一。
  1991年至1993年,黑爾在位於德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室從事研究工作。1993年至1996年在芬蘭圖爾庫大學的物理醫學系從事研究工作。1994年,黑爾發明瞭STED顯微鏡,是超分辨率顯微技術的一大突破。
  1997年,黑爾遷往哥廷根,成為馬克斯·普朗克學會在哥廷根的生物物理化學研究所的研究員。2003年至今,黑爾也是位於海德堡的德國癌症研究中心高分辨率光學顯微技術部門的主任。
  2002年,黑爾獲德國雷賓赫激光技術獎。2008年,曾獲德國科學技術最高獎——萊布尼茨獎。
  ■威廉·莫納
  1953年生於美國加利福尼亞州的普萊森頓,1982年獲得康奈爾大學物理學博士學位。現為美國斯坦福大學哈利·S·莫什講座教授,是單分子光譜和熒光光譜領域的著名專家。
  1981年至1995年,莫納在IBM位於加利福尼亞州聖荷西的研究中心擔任研究人員和管理人員。1993年至1994年,在瑞士蘇黎世聯邦理工學院擔任訪問客座教授。1995年至1998年,在加利福尼亞大學擔任傑出教授(物理化學領域)。1998年至今,在斯坦福大學擔任教授。
  莫納曾獲得不少榮譽,1984年獲得羅傑·I·威爾金斯全美傑出年輕電氣工程師獎;2001年獲得美國物理學會厄爾勒·K·普利勒獎;2008年獲得以色列沃爾夫獎化學獎;2009年獲得歐文·朗繆爾化學物理學獎。  (原標題:窺探納米世界三科學家獲獎)
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梁漢文

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