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解读这三个科学家为何能获得诺贝尔化学奖

解读这三个科学家为何能获得诺贝尔化学奖

(神秘的地球报道)据腾讯科学(罗辑):2014年诺贝尔化学奖揭晓,来自美国与德国的三位科学家分享了这一奖项,他们分别是埃里克•本兹格(Eric Betzig)、斯特凡•W•赫尔(Stefan W. Hell)、威廉E.莫尔纳尔(William E.Moerner)。

从17世纪开始,科学家就在光学显微镜下看到了具有生命力的有机体,由此人类打开了一个新的科学领域,这就是微观世界,于是微生物学也诞生了。从那时起,光学显微镜是生命科学研究领域的重要工具,通过中学阶段的学习我们已经接触到一些基础的光学显微镜,也了解到显微镜对细胞生物学研究的重要性,以当前肆掠非洲的埃博拉病毒为例,如果没有生命科学技术的进步,微小的细菌、病毒都可以导致大量人类死亡,由此可见显微技术的突破对人类种群繁衍是非常重要的。

传统的光学显微技术虽然可以看到一些个体较大的细胞,但是在技术瓶颈制约下无法观测小于光波波长一半的物体,大约为0.2微米,这就限制了我们进一步对细胞内部生化过程的研究,比如线粒体的个头比较大,就容易观察到,但对于细胞内相互作用的蛋白质分子,我们就无法观察到它们的作用机理,这就像我们可以看到城市中的建筑,却看不到路上走的行人,因此突破光学显微镜极限成为科学家研究的方向。

为了取得实质性的突破,科学家就需要知道如何规避阿贝衍射极限,斯特凡•W•赫尔自1990年在海德堡大学获得博士学位后一直在寻找这个答案,于是量子光学的研究思路开始形成,即使用一个纳米级的“手电筒”来照亮被观测的物体,这样就可以避免阿贝衍射极限的制约。斯特凡•W•赫尔在反复测试后制造出特殊的荧光显微镜,利用分子荧光技术来观察细胞内分子级的相互作用,比如与疾病有关的蛋白质分子聚集、跟踪细胞分裂等。1994年,斯特凡•W•赫尔发表了一篇论文阐述了他的想法,通过光脉冲技术来激发所有的荧光分子,对被观测物体进行连续性地扫描,然后获得清晰的图像,避开了光学显微镜分辨率的限制。

斯特凡•W•赫尔的文章当时并没有引起足够的轰动,但足以让他在马克斯普朗克生物物理化学研究所站稳脚跟,随后的几年内,他的想法进一步获得了实现,开发了基于受激发射损耗原理的显微镜,到了2000年,他的新显微镜达到了光学显微镜从来没有实现的超高分辨率。

对于受激发射损耗技术,埃里克•本兹格和威廉E.莫尔纳尔显然有着独特的见解,他们认为该技术主要通过收集许多微小的光线来重塑更大的物体,他们突破光学显微镜极限的方法与此不同,通过图像叠加技术创建了单分子显微镜,并成功监测到一个荧光分子。在多数化学方法中都涉及测量吸收光谱的步骤,其实这是科学家了解物质的重要一步,通过吸收光谱和荧光技术我们可以确定分子的类别,因此科学家也试图建立更加庞大的分子光谱数据库,里面包括了数百万分子的“指纹”,这有助于我们掌握万物的本质。

1989年,威廉E.莫尔纳尔成为第一个对单个分子进行吸收光谱测量的科学家,这是一个关键性的成就,当时他位于加利福尼亚州圣何塞市的IBM研究中心,这个成就打开了一个新的未来,启发了许多科学家将目光投向单个分子的研究,其中一位科学家叫做埃里克•本兹格。8年后威廉E.莫尔纳尔进一步开发了单分子显微镜技术,并在1997年进入了加州大学开展科研工作。有趣的是埃里克•本兹格在进行单分子显微镜技术研发时也开始对阿贝衍射极限进行研究,他与斯特凡•W•赫尔一样都在试图避开这个极限的制约,于是他致力于开发新型光学显微镜,该装置被称为近场光学显微镜,其能够绕过阿贝衍射极限,但是该装置在当时仍然存在一些问题,即很难看到细胞表面结构下方的构造,于是埃里克•本兹格在1995年曾认为近场光学显微镜技术可能达到了技术极限,无法进一步提高,但一个新的想法开始在他脑海里形成。

他开始思考如果不同分子具有不同的颜色,比如红色 、黄色和绿色,所有分子之间处于阿贝衍射极限的规范范围之内,当观测图像被叠加时,一幅完整的图像呈现在埃里克•本兹格面前,于是他将这一想法发表到光学快报杂志上,随后他离开了学术界,加入了他父亲的公司。多年来,埃里克•本兹格完全与学术界隔绝,直到2005年的一天,他偶然意识到威廉E.莫尔纳尔在1997年进行的实验可以用荧光蛋白来重建,通过叠加图像技术超越了阿贝衍射极限的限制,仅仅一年后,埃里克•本兹格的实验证明了这条路是正确的,荧光蛋白可以在显微镜下被精确定位,2006年,《科学》杂志上刊登了他的最新论文。

埃里克•本兹格、斯特凡•W•赫尔和威廉E. 莫尔纳尔这三位科学家通过两个不同的途径实现了对阿贝衍射极限的突破,如今生命科学的研究人员可以使用纳米显微镜观察神经细胞、突触、跟踪处于细胞分裂中的胚胎等等,为人类显微生物学的进步奠定了基础,他们成为诺贝尔奖的得主实至名归。





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