显微镜5000倍2014届诺贝尔化学奖：超越光学显微镜

大家好，这里是老上光显微镜知识课堂，在这里你可以学到所有关于显微镜知识，好的，请看下面文章： 据《新浪科技报》10月8日在北京报道，两名美国科学家和一名德国科学家因对超高分辨率荧光显微镜的贡献而获得2014年诺贝尔化学奖。德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所和斯坦福大学的威廉·E·莫纳共同获得了今年的化学奖。
    
     红血球、细菌、酵母和游动的精子。当17世纪的科学家次在光学显微镜下看到这些活的生物现象时，在他们的眼前开辟了一个新天地。这就是光学显微成像技术的诞生。从那时起，光学显微镜就开始出现。生物研究领域最重要的工具之一。其他显微成像技术，如电子显微镜，需要制备杀死细胞的样品。
    
     然而，长期以来，光学显微成像技术的发展一直受到物理极限值的制约。1873年，显微学家Ernst Abbe提出了传统显微成像的物理极限：这种技术的分辨率永远不会超过0.2微米。这个预测使科学家们相信，在20世纪的大部分时间里，光学显微镜成像技术永远不会允许它们打破更微妙的尺度（图1）。一些内部细胞器，例如为细胞活动提供能量的线粒体，在轮廓上清晰可见。对更小的物体，如细胞内单个分子之间的相互作用，进行观察简直是不可能的。这就像是在观察一座城市。你可以看到城市里的高楼大厦，但你不能看到人们进出的日常生活。为了理解细胞的日常运作，科学家需要跟踪单个分子的活动。
    
     但是今年的诺贝尔化学奖获得者的工作打破了阿贝的物理极限。理论上，没有更多的障碍阻止科学家在更小的尺度上观察物体。因此，显微成像变成了纳米成像。
    
     在突破阿贝极限的计划中，有两种独立的技术手段是独立开发的。整个故事是1993年在芬兰西南部的学生宿舍里讲的。，当史蒂芬·赫尔翻阅一本量子光学书时，他发现了一个奇迹。好主意。
    
     1990年在海德堡大学获得博士学位后，斯蒂芬·赫尔一直在想办法超越一个多世纪前提出的阿贝极限。挑战现有的主流观点令人兴奋。但是当时几乎所有的德国科学家都对他的想法表示怀疑，赫尔转向在遥远的北方寻求支持。芬兰图尔库大学的荧光显微成像教授给了他在他的研究小组中的一个职位。赫尔坚信一定有办法突破阿贝极限。当他在一本量子光学书中读到受激发射时，一个全新的想法逐渐在他的脑海中形成。2009年，他曾经评论过他的感受：那个想法吸引了我。我终于有了一个明确的方向，我想去追求。
    
     在芬兰的图尔库大学，赫尔专攻所谓的荧光显微镜，一种科学家利用荧光分子对细胞部分进行成像的技术方法。例如，他们可以利用荧光抗体结合来观察分子DNA。抗体，允许它们在短时间内发光。如果抗体与DNA结合，它就会从细胞核中发光，细胞核就是DNA储存在细胞核中的地方。这样，科学家就可以确定特定分子的位置。但这只能让科学家确定大群的位置。分子中的许多，如缠结的DNA分子。分辨率太低，很难分辨出特定的DNA链。你可以想象看到缠绕的纱线而不列出根纱的情景。
    
     当斯蒂芬·赫尔读到受激发射时，他意识到应该可以制造一种装置，这种装置使用纳米闪光一次扫描一个纳米级的样品。利用受激发射的原理，科学家可以冷却荧光分子。他们将激光束瞄准分子，ch瞬间失去能量，变得暗淡。1994年，斯蒂芬·赫尔发表了一篇描述他的想法的文章。在这个场景中，所谓的受激减排技术（STED），他设想使用闪光来激发所有的荧光分子，然后使用另一个闪光来熄灭所有的荧光。在记录时，只记录这一部分。通过扫描整个样品表面，连续记录强度信息，可以得到完整的图像。允许荧光的空间面积越小。因此，从理论上讲，光学显微镜的极限不再存在。
    
     但是斯蒂芬·赫尔的理论并没有立即引起学术界的注意，但是这足以让斯蒂芬·赫尔在德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所找到一份工作。在接下来的几年里，他逐渐将目光变为现实：他研制了STED显微镜。2000年，他证明了他的技术方法在实际工作中是可行的。然后他以一种以前任何光学显微镜都无法达到的分辨率对大肠杆菌进行拍摄（图3）。
    
     STED显微镜从多个小区域收集光并最终形成整体成像图。相反，第二项获奖技术，即所谓的单分子显微成像技术，涉及多个整体图像的叠加。梅尔纳独立地为这项技术奠定了基础。这项技术的个故事开始于梅尔纳成功地检测到一个微小的荧光分子。
    
     在大多数化学方法中，如测量荧光吸收，科学家通常同时观察数百万个分子。这些实验的结果通常代表典型的或平均的分子条件。科学家只能接受这个结果，因为它不能改变。他们长期梦想有能够直接测量单个分子，因为更详细和丰富的理解可能导致对诸如疾病进展等现象的更深理解。
    
     因此，在1989年，当默纳成为世界上个成功测量单个荧光分子对光的吸收的科学家时，这是一个巨大的成就。当时他在IBM位于加利福尼亚的研发中心工作。这个实验开启了一扇通往新未来的大门，激发了许多化学家的灵感。他们把注意力转向单分子研究，包括Eric Bentzger。
    
     八年后，穆纳在先前的诺贝尔奖得主绿色荧光蛋白技术（GFP）的基础上向单分子显微镜技术迈进了一步。
    
     1997年，Merner来到圣地亚哥的加利福尼亚大学，在那里他获得了诺贝尔奖，GFP技术的发明者钱永优教授也在那里工作。钱教授从水母中分离出绿色荧光蛋白。绿色荧光蛋白的重要之处在于它们也能够使生物细胞中的其他蛋白质可见。利用基因技术，科学家们已经将这些绿色荧光蛋白与其他类型的蛋白质结合在一起。科学家可以知道标记的蛋白质在生物体中的位置。
    
     Merna注意到GFP的一个荧光分子，它的荧光可以随意打开或关闭。当他激发波长为488纳米的蛋白质时，它开始发出荧光，但是过了一会儿，它就熄灭了。之后，不管他用多少光来照射它，荧光都会发出。然而，后来他发现，如果用405纳米的波长照射蛋白质，蛋白质会再次激活并发出荧光，当蛋白质被激活时，它会在488纳米的波长下发出荧光。
    
     Merner将这些可激发的蛋白质结合到溶胶中并均匀地分布，使得单个分子之间的距离大于Abbe衍射极限所设定的0.2微米长度极限。这个实验的结果发表在1997年出版的《自然》杂志上。
    
     通过这一发现，Merna展示了用光学手段操纵单分子荧光的可能性，这个结果解决了Eric Bengtsg困扰他两年的问题。
    
     和斯蒂芬·赫尔一样，埃里克·本茨格对打破阿贝设定的衍射极限非常着迷。上世纪90年代初，本茨格在美国新泽西贝尔实验室研究近场光学显微镜。在近场光学显微镜中，光从离苏尔河很近的薄片上射出。这种显微镜可以突破阿贝的衍射极限，但是这种方法也有一些无法克服的缺陷。例如，它产生的光作用在非常短的距离上，使得在细胞表面之下呈现深层结构变得困难。
    
     1995年，Eric Bentzger得出结论，在近场光学显微镜方面没有进一步改进的余地。此外，他也觉得自己不适合学术界，所以他决定结束他的学术生涯。但是他对自己下一步要去哪里感到困惑。他离开了贝尔实验室，但是关于阿贝衍射极限的问题仍然萦绕在他的脑海中。在一次冬季漫步中，他突然想出了一个新主意：有可能利用不同分子的不同性质来避免阿贝衍射极限，例如产生不同颜色荧光的分子
    
     受Merner和其他科学家工作的启发，Eric Bentzger以前用近场光学显微镜观察过单个分子的荧光。现在，他开始怀疑，如果不同的分子e麻省理工学院研究不同颜色的荧光，如红色、黄色和绿色。他的具体想法是使显微镜一次只记录一种颜色。如果所有发出相同颜色的分子都分散，并且它们之间的间隔超过阿贝衍射的0.2微米极限，则称之为p接下来，当不同颜色的图像叠加在一起时，所得到的图像分辨率将远远高于阿贝衍射极限，并且红色、黄色和绿色的分子仍然可以区分，即使它们是o。这种方法可以避免阿贝的衍射极限，但仍存在一些实际问题。例如，他找不到足够的分子来区分光学性质。
    
     1995年，Eric Bentzger在《光学公报》上发表了他的理论，然后离开学术界去他父亲的公司工作。
    
     多年来，埃里克·本特斯格和学术界完全分开了。但是有，对科学的渴望的种子又在他的身体里萌芽，他的眼睛又回到了科学上，这次他注意到了绿色荧光分子的消息。他很快就意识到这种荧光蛋白，它能产生绿色荧光分子。对活细胞中的其他蛋白质的光，可以用来规避阿贝衍射极限。
    
     真正的突破出现在2005，他偶然发现一种可以随意开启或关闭荧光的蛋白质，就像梅尔纳在1997的分子水平上观察到的那样。奔驰意识到这是10年前他头脑中缺乏的工具。要有不同的颜色，他们只是在不同的时间荧光。
    
     仅仅一年后，Eric Bentzger和其他从事激发荧光蛋白研究的科学家证明了他的技术在实践中是可行的。在光信号的刺激下，蛋白质会发出荧光，但是由于非常微弱的光，只有一部分蛋白质会发出光。由于数量少，几乎每个分子之间的距离都超过阿贝衍射极限所定义的0.2微米长度。e，可以非常地记录每个发光分子的位置。过了一会儿，当这些分子的荧光逐渐消失时，研究小组激活另一组蛋白质分子使它们发光。同样，只有一部分分子会发光。同样，每个发光分子的图像都被记录下来，这个过程已经被反复重复。
    
     当Bentzger最终将这些图像叠加在一起时，他获得了溶菌酶外膜结构的超分辨率图像。该图像的分辨率远远超出了Abbe衍射极限所定义的值。2006年，他们在《科学》杂志上发表了一篇关于这些发现的论文，突破。
    
     这两种由Eric Bentzger开发的方法，Stephen Hull和William Murner，已经导致了许多纳米级成像技术的出现，这些技术在世界范围内得到了广泛的应用。与越来越多的从事这一领域的科学家合作。当他们将功能强大的纳米成像设备瞄准组成生命的最小组件时，他们帮助人们获得许多最新的知识。斯蒂芬·赫尔目前正在研究一种复杂的神经细胞探针来打赌。特了解大脑中的突触；威廉·穆纳正在研究亨廷顿综合症相关的蛋白质，埃里克·本茨格正试图追踪胚胎的细胞分裂。
    
     但有一点是肯定的：2014位诺贝尔化学奖得主为我们追寻人类最重要的知识奠定了坚实的基础。（陈峰）
    
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