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北大专家解读2014诺贝尔化学奖

作者:学报期刊
出处:www.lunrr.com
时间:2020-03-13

作者:孙玉杰资料来源:赛先生发布日期:2014/10/11 17:07:36

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北京大学专家解读2014年诺贝尔化学奖

今年诺贝尔化学奖的三位获奖者,打破了光学成像长期存在的衍射极限,将荧光显微成像的分辨率带入“纳米时代”,给生命科学研究带来巨大变化

孙玉洁(北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心研究员)

2014年诺贝尔化学奖于10月8日宣布授予美国科学家埃里克白兹格、威廉摩尔纳和德国科学家斯特凡赫尔,表彰他们在超高分辨率荧光显微镜领域的贡献。 正如官方获奖论文中所描述的那样,虽然这种技术在科学研究中仅用了十多年的时间就发挥了它的功能,但它已经显着地促进了许多领域的发展,并且可以预测,未来将会给生命科学研究带来巨大的变化。

什么是超高分辨率荧光显微镜

我们的人眼通常能看到至少约0.1毫米,而生物学的基本单位细胞的平均直径约为20微米或0.02毫米,因此观察微观生物学世界需要使用光学显微镜。 光学显微镜有许多优点,不仅可以扩大微观世界,而且对样品没有损伤,并且可以特异观察目标物体。 这种特异性通常通过荧光显微镜来实现 荧光是物质吸收光后发出的光。通常,发射光的波长比吸收光的波长长。因此,可以单独检测荧光,以实现对目标的高灵敏度检测。 然而,光学显微镜的分辨率是有限的。 由于光的衍射,当用透镜成像时,即使是极小的光斑也会形成漫射图案,通常称为“艾里光斑” 这样,即使两个物体点相距很远,它们的漫射点也可能很近,无法区分。

基于这一原则,早在1873年,德国科学家恩斯特?恩斯特阿贝(Ernst Abbe)提出阿贝的光学衍射极限,并将其作为一项重要成就刻在墓碑上。 根据这个公式,光学显微镜的分辨率约为检测光波长的一半,约为300纳米(可见光波长为400-700纳米),或头发直径的1/300。 超高分辨率荧光显微镜通过一系列物理原理和化学机制“突破”了这一衍射极限,将光学显微镜的分辨率提高了几十倍,使我们能够从前所未有的角度观察生物微观世界。

为什么生物学研究需要超高分辨率荧光显微镜

许多亚细胞结构在微米到纳米尺度,衍射极限的存在限制了我们用光学显微镜观察这些生物样品。 例如,细胞的细胞骨架蛋白微丝非常致密,在荧光显微镜下图像非常模糊,细节看不到,而电子显微镜的分辨率可以达到1纳米左右,非常清晰地显示了细胞骨架的细节。 然而,电子显微镜很难制作活体样品,其特异性不如荧光显微镜。 因此,超高分辨率荧光显微镜的发展对生物研究具有重要意义。 发展

超高分辨率荧光显微术目前,超高分辨率荧光显微术可大致分为三类,包括受激发射损耗、结构光照明技术和单分子技术 它的历史可以追溯到20世纪80年代 这一次获得诺贝尔化学奖的三位科学家是这个方向的先驱。

超高分辨率荧光显微镜的发展分为三个阶段 1994年,获奖的德国科学家斯蒂芬海尔(Stefan Haier)当时仍是博士后研究员。他首先提出了打破光学衍射极限的受激辐射损失方法(STED),并最终在2000年通过实验实现了这一方法。 它使用类似激光产生的受激辐射原理,并在激光点外包裹一个类似圆环的激光点以激发荧光。环形激光器可以抑制其区域内的荧光分子发射荧光,从而通过连续减小环形激光器的孔径可以获得小于衍射极限的荧光发射点,通过扫描可以实现超高分辨率图像,从而将光学显微镜的分辨率提高了近10倍。 海尔目前是德国哥廷根大学的教授和德国马克斯普朗克生物物理和化学研究所所长。 自2000年以来,他不断改进STED技术,使其更适合生物研究。 此外,他还通过相似性原理发明了一系列超高分辨率技术,统称为可逆饱和荧光跃迁(RESOLFT),为超分辨率荧光显微成像技术的发展做出了巨大贡献。

基于结构照明原理的超高分辨率技术是美国科学家马茨古斯塔夫森(Mats Gustafsson)在2000年发明的。它非常适合细胞研究,但是分辨率只有原来的两倍。 该技术基于低频莫尔条纹可以由两个高频空的重叠图案形成的原理,并且通过分析莫尔条纹实现超高分辨率成像 不幸的是,古普塔弗格森于2011年因癌症去世,享年51岁。他英年早逝,无法分享诺贝尔奖。

超分辨率荧光显微镜技术非常成熟,广泛应用于生物研究。自2006年以来,基于随机重建原理的两种超高分辨率光学成像技术同时出现。 当时,它是由三个研究小组同时独立发明的,即哈佛大学的庄小炜教授(随机光学重建显微术STORM技术),这一次诺贝尔奖获得者埃里克怀特黑德(光激活定位显微术PALM技术)和塞缪尔赫斯(荧光激活定位显微术fPALM技术) 他们在原则上非常相似。它们都基于荧光分子的光转换能力和单分子定位。通过一次仅控制少量随机离散的单个荧光分子发光并精确定位单个荧光分子的艾里斑中心,多个图像被叠加以形成超高分辨率图像。 “交易时间为/[/k0/”的想法非常聪明,荧光成像的分辨率一下子提高了约20倍。 图中细胞骨架的成像分辨率接近电子显微镜。

获奖的威廉莫纳(William Monar)现在是斯坦福大学的教授,也是单分子荧光技术的先驱。 1989年在小发猫研究中心工作时,他首次测量了世界上单个分子的光吸收,并于1997年与因绿色荧光蛋白获得2008年诺贝尔化学奖的钱永健(Roger Tsien)合作发现了绿色荧光蛋白的光转换效应。 埃里克贝格(Eric Bezger)是霍华德休斯医学研究所的教授,荧光显微镜技术的领导者。 他在1992年首次实现了近场超高分辨率荧光成像,然后在1994年提出了基于单分子信号实现超高分辨率成像的想法,并于2006年在实验中实现 值得指出的是,庄小炜教授作为STORM超分辨率技术的发明者,一直在引领和推动超高分辨率显微技术的发展和应用,是过去8年中该领域最活跃的研究团队。 庄小炜教授毕业于中国科技大学本科三年级。34岁时,他获得了哈佛大学的全职教授职位。40岁时,他成为美国科学院院士。

超高分辨率成像作为一种新技术,突破了光学成像的衍射极限,将传统成像的分辨率提高了10-20倍。这就像近视的人突然戴上合适的眼镜,成为研究细胞结构的利器。 在过去的七八年中,这些技术不断进步,活细胞的多色、三维和高速成像相继实现。 其生物学应用也非常广泛,包括细胞膜蛋白分布、细胞骨架、线粒体、染色质和神经元突触等。 超高分辨率技术的出现引起了广泛关注。首先,它在2006年被世界着名的《科学》杂志评选为年度十大技术突破,然后被《自然-方法》杂志评为2008年最佳生物医学方法。 在最近《自然-方法》年10周年特刊列出的10项技术中,超高分辨率成像和单分子技术也榜上有名。

关于诺贝尔奖及其前景

就像哈勃太空望远镜被用来理解宇宙一样,人类对微观世界的理解在很大程度上取决于光学显微镜技术。 今年诺贝尔化学奖的三位获奖者打破了光学成像中长期存在的衍射极限,将荧光显微成像的分辨率带入了“纳米时代”,使我们能够更准确地窥探微观世界,这将给疾病研究和药物研发带来革命性的变化。 我们也可以期待为世界上迅速发展的大脑项目提供关键支持。 有趣的是,这一次三位诺贝尔化学奖获得者都是物理学博士,这个奖项的结果也是典型的跨国研究。物理思想、光学技术和化学探针的结合为生物研究提供了前所未有的强大工具。这是典型的诺贝尔技术奖。 事实上,生命科学和医学领域的大量悬念不断吸引着不同背景的专业人士加入研究团队。这种交叉整合将极大地促进生物医学研究的进展。 毫无疑问,我们将来会看到更多这样的跨境诺贝尔奖!

作者孙玉杰博士的主要研究方向是单分子荧光和超高分辨率成像技术在细胞生物学中的应用。 (原标题:北京大学专家对[的解读)2014年诺贝尔化学奖

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