2014 诺贝尔化学奖 :透视生命体分子运动

10 月 8 日下午，瑞典皇家科学院宣布，美国科学家埃里克・贝茨格和威廉・莫尔纳，德国科学家斯蒂凡・黑尔获得 2014 年诺贝尔化学奖。他们分别为超分辨率荧光显微技术（fluorescence microscopy）的发展做出了贡献。

长期以来，光学显微技术一直被认为存在一个极限，就是分辨率无法小于波长的一半，由于可见光波长范围是 400 纳米到 700 纳米，200 纳米则成为一个难以突破的极限，而对于大多数让科学家感兴趣的生物大分子来说，这些分子都比 200 纳米要小，无法被直接观察到。

就像可以看到一个城市的建筑，但是不能看到人们的活动。

这一极限，是 1873 年德国物理学家恩斯特・阿贝提出的，他认为由于可见光会发生衍射，因而光束不能无限聚焦，能聚焦的最小直径是光波波长的二分之一，也就是 200 纳米。一个多世纪以来，200 纳米的“阿贝极限”一直被认为是光学显微镜理论上的分辨率极限，小于这个尺寸的物体必须借助电子显微镜或隧道扫描显微镜才能观察。但是对生物分子来说，这不仅会造成破坏，而且无法对所需要观察的分子进行追踪。

这一极限在被提出后，100 多年没有人能够突破，甚至很多人把他当作一个物理定律理所当然的接受。但是也有很多人，一直无法放弃突破这一极限的尝试。而这次三位科学家的贡献，就是天才般的绕过了这个极限。

挑战“极限”的黑尔

1990 年在德国海德堡大学获得博士学位后，黑尔就想要挑战这个根深蒂固上百年的极限，但是德国的主流科学家都对他的想法持怀疑态度。

2000 年，斯蒂凡・黑尔提出了受激发光消除技术（stimulated emission depletion ，STED），就是同时用两束激光照射分子其中一束使其闪光，一束激光去抵消分子的发光，但是留下一个纳米量级的窗口，这样只有这个窗口中的分子发光，这样就是一纳米一纳米的扫描生物分子，得到一张分辨率超越阿贝极限的图像。

凭借发明突破“阿贝极限”的光学显微镜，当时已经身为德国马克斯 - 普朗克学会生物物理化学研究所所长的斯蒂凡・黑尔获得了 2006 年度德国“未来奖”。

一年一度的“未来奖”是德国最重要的科学奖。黑尔在接过德国总统科勒颁发的奖杯时表示，将把所获得的 25 万欧元奖金作为一个科技公司的启动资金，为将来研究更好的显微镜奠定基础。

奠基单分子显微技术

埃里克・贝茨格和威廉・莫尔纳虽然各自独立研究，但他们是同一种的方法的奠基人，这种方法被称为单分子显微技术。

莫尔纳的研究，始于他在 IBM 研究院的工作，1989 年，他成为世界上第一测量单个分子光吸收特性的科学家。8 年后，他加入了加州大学圣迭戈分校钱永健的团队（2008 年，钱永健因绿色荧光蛋白的发现与下村修、马丁・查尔菲获得诺贝尔奖化学奖）。

发现有了一种绿色荧光蛋白，其发光与否可以人为调节。当他用 488 纳米波长的光线照射时，这种荧光蛋白只发一下光就熄灭，再也无法发光，只有用 405 纳米波长的光照射它，才能重新激发。这一现象的发现，吸引了一大批科学家的注意，并在此后发现了更多控制荧光蛋白开关的方法，而这也成为贝茨格最终实现荧光显微技术的基础。

贝茨格的研究始于在贝尔实验室的近场光学显微镜研究，用这种方式也是用纳米量级宽度的光线照射样品，但是光线反射的范围非常小，难以反映细胞内部的情况，1995 年，心灰意冷的贝茨格不仅放弃了这个方向，甚至放弃了学术研究，他辞去了贝尔实验室的工作。但是超越阿贝极限的想法在他脑海里还是挥之不去。

他的想法是，如果不同的分子发不同的光，只要发同一种颜色的光的分子之间的距离大于阿贝极限，位置就可以精确记录，那么把不同颜色图像叠加起来，分子之间的距离就小于阿贝极限，这样阿贝极限不是自然而然被绕过去了吗？他把这个想法发表了一篇论文，然后就进了父亲的公司工作。

在远离科学界近10 年后的2005 年，他了解到有种荧光蛋白可以随意开关，这就是实现他的想法的工具。这时候他也意识到，其实并不需要不同的分子显示不同的颜色，只需要不同的分子在不同的时候发光。

通常要激发荧光蛋白发光，需要用于激发的光线足够强，而贝茨格反其道而行，由于激发荧光蛋白发光的光线较弱，每次只能激发零零散散的一小部分分子发光，由于这些分子之间的距离大于0.2 微米，因此可以被精确记录下来，而再次照射的时候，已经发过光的分子不会再发光，又有另一小部分分子发出了光。就这样重复多次，所有分子的位置就都被记录下来，而分子之间的距离远远小于阿贝极限，就得到了一幅高分辨率的图像。

卓越的贡献

瑞典皇家科学院常任秘书、诺贝尔基金会副主席斯塔凡・诺马克在颁奖会上说，在超高分辨率荧光显微技术的帮助下，现在我们可以看到生物体内的分子运动情况，可以看到它们发生反应的过程，甚至可以发现哪里出了问题。

目前，54 岁的埃里克・贝茨格就职于美国霍华德休斯医学研究所，61岁的威廉・莫尔纳在斯坦福大学任教，52 岁的斯蒂凡・黑尔仍然在德国马克斯- 普朗克学会工作。

黑尔教授在接受颁奖现场连线电话采访时说，过去人们认为光学显微不可能超越波长的限制，当他希望突破这个限制的时候，很多人认为他疯了，甚至他自己也想过放弃，后来他改变了主意，不是去改变光线的波长，而是去改变分子本身。“这让我重拾信心。”

如今，荧光显微镜技术已经是对蛋白质、DNA 等生物大分子定性定位研究的最有力工具之一。诺贝尔奖评审委员会委员，瑞典乌普萨拉大学教授曼斯・艾伦博格说，在这种技术的帮助下，光学显微技术已经没有物理上的限制，唯一需要解决的就是如何利用荧光蛋白对特定分子进行标记的问题，但是过去很多人在遇到了这一限制的时候，没有活下来。

中科院上海应用物理所副所长胡钧表示，为什么超分辨率的荧光显微镜显得特别重要，就是能够进行功能成像，对于生命科学非常重要，不是看一种结构，而是看哪一种分子在活动，这对于电子显微镜，X 射线显微镜来说还做不到。主要原因是，荧光标记技术已经很成熟，可以标记特定的分子，看到的荧光就是要看的分子。而电镜的特异性标记技术还不成熟，这是最关键的。

他举例说，就像到医院检查癌症，看CT 还不够，要通过PET-CT，看到葡萄糖代谢特别活跃才能确诊，就是因为CT 只看到结构，判断是否恶性非常困难。PETCT可以给葡萄糖标记正电子核素，发射伽马光子，因为恶性肿瘤的葡萄糖代谢非常旺盛，看到葡萄糖特别多的地方，就是恶性肿瘤。这就让癌症的早期检测成为可能，因此也获得了诺贝尔奖。

而对于电镜、X 射线对生命体的破坏问题，胡钧说其实荧光显微也会有一定伤害，只要使用超快脉冲，照射时间足够短，就能限制在可以接受的范围。他说，现在对其他几种技术来说，还需要解决标记的问题，才能够实现功能成像。