顯微鏡里的黑科技

吳寶俊

2017年的諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給了冷凍電鏡技術(shù)，什么是冷凍電鏡？它在分子生物物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了哪些技術(shù)革命？想要了解冷凍電鏡，先要從它的祖先顯微鏡說起。說到顯微鏡就不能不提到偉大的羅伯特·胡克（Robert Hooke）。

胡克的顯微鏡與《顯微圖譜》

胡克是一位牧師的兒子，少年時(shí)進(jìn)入倫敦威斯敏斯特公學(xué)學(xué)習(xí)，隨后進(jìn)入了牛津大學(xué)，并很快憑借自身的聰穎成為了波義耳的助手。從1662年起，胡克擔(dān)任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的實(shí)驗(yàn)室主任職務(wù)，他的主要任務(wù)是在皇家學(xué)會(huì)的會(huì)議上準(zhǔn)備幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，供會(huì)員們觀察、討論、分析、猜想。這個(gè)職位起初是無(wú)償?shù)?，后?lái)隨著胡克出色的工作逐漸變成了帶薪職位，于是他就成為了第一個(gè)“職業(yè)”科學(xué)家。胡克在這個(gè)位置上干了40年，一直到1703年去世。

胡克是一位極具天賦的儀器制造家。在他所處的時(shí)代，流行的顯微鏡結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只有一個(gè)球形透鏡，而且放大倍數(shù)很低。胡克瞧不上這樣的設(shè)備，親手設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)擁有目鏡、物鏡和載物臺(tái)的復(fù)合光學(xué)顯微鏡。

胡克用自己制造的這臺(tái)顯微鏡對(duì)身邊的一切事物進(jìn)行細(xì)致地觀察，親手將肉眼看不到的物體的微小細(xì)節(jié)描繪下來(lái)，并在1665年出版了他的名著《顯微圖譜》（Micrographia）。這部著作將公眾帶進(jìn)了一個(gè)肉眼看不見的全新的精彩世界。

光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡

胡克的顯微鏡屬于光學(xué)（Optical）顯微鏡，Optical這個(gè)詞原意為“眼球的”，所以這種顯微鏡就是可以直接用眼睛來(lái)觀察的顯微鏡。

17世紀(jì)光學(xué)顯微鏡的發(fā)明極大地推動(dòng)了微觀生物學(xué)的誕生與發(fā)展，而在三百多年后的今天，電子顯微鏡則推動(dòng)了材料學(xué)、化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展。

電子顯微鏡使用的并不是可見光，而是放出電子，與被測(cè)樣品發(fā)生相互作用（散射、透射），利用接收器接收相互作用后的電子，并根據(jù)建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)之上的相關(guān)理論反推出被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡并不能直接用眼睛進(jìn)行觀測(cè)，它的圖像是電腦生成的，但它的放大倍數(shù)卻比光學(xué)顯微鏡要大1000倍，可以觀測(cè)原子尺度的樣品結(jié)構(gòu)。我們今天經(jīng)常談?wù)摰募{米材料、納米技術(shù)，其背后的科學(xué)工具都離不開電子顯微鏡。

黑科技—冷凍電鏡技術(shù)

2017年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了雅克·杜波謝（Jacques Dubochet）、約阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），因?yàn)樗麄児餐岢隽死鋬鲭娮语@微鏡技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)誕生的背景是：科學(xué)家在使用電子顯微鏡觀察普通材料時(shí)得心應(yīng)手，但是當(dāng)用電子顯微鏡觀察生物蛋白質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下問題：1.電子顯微鏡中的電子在遭遇被測(cè)樣品之前，需要在真空中運(yùn)動(dòng)，這樣才能保證初始狀態(tài)的穩(wěn)定，可是蛋白質(zhì)存在于溶液中，溶液會(huì)揮發(fā)至儀器中，破壞測(cè)量環(huán)境；2.有活性的蛋白質(zhì)不會(huì)一動(dòng)不動(dòng)，很難清晰、精準(zhǔn)地捕捉到；3.電子顯微鏡中電子能量較高，擊中蛋白質(zhì)之后會(huì)破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

為了解決這幾個(gè)難題，科學(xué)家想到了使用“急速冷凍”的方法，用液態(tài)的乙烷、液氮等快速冷凍含有水分的樣品，這樣既可以使蛋白質(zhì)和所在的水溶液環(huán)境迅速?gòu)娜芤簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)保持其天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)，也有利于顯微鏡捕捉到蛋白質(zhì)的位置和結(jié)構(gòu)。

冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)明，讓人類以原子級(jí)的分辨率，觀察到了接近生理狀態(tài)下的生物大分子，為人類在原子尺度下觀測(cè)生物體提供了有利的技術(shù)工具。今后，冷凍電鏡技術(shù)在解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并針對(duì)性設(shè)計(jì)藥物，以及在原子層面認(rèn)清生物活性起源方面都將大有可為。

延伸閱讀：胡克與列文虎克

胡克對(duì)后人的啟迪也不容小覷。荷蘭商人、科學(xué)家安東尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）是《顯微圖譜》的忠實(shí)讀者。他受這部著作啟發(fā)，開始自己研制鏡片，使用高倍單透鏡顯微鏡，深入地投身于微觀世界，觀察、描述和繪制了諸如原生動(dòng)物和細(xì)菌這樣的單細(xì)胞生物。由于胡克和列文虎克發(fā)音相近，國(guó)內(nèi)有些著作將他們當(dāng)作了同一個(gè)人，引起了不小的誤會(huì)。