先進(jìn)顯微鏡揭示細(xì)胞之謎

編譯 胡德良

從細(xì)胞最初被發(fā)現(xiàn)至今已有350多年了，但是從很多方面來(lái)講，細(xì)胞仍然是個(gè)謎。隨著顯微鏡技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員逐漸揭開(kāi)了細(xì)胞的秘密。

生物物理學(xué)家溫弗里德·威格雷貝（Winfried Wiegraebe）說(shuō)：“打開(kāi)任何生物學(xué)課本，你都會(huì)看到一個(gè)渾圓的細(xì)胞頗具藝術(shù)性地呈現(xiàn)在你面前?！比欢?，事實(shí)更為復(fù)雜。在西雅圖的艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所，威格雷貝的團(tuán)隊(duì)一直在對(duì)單個(gè)細(xì)胞的行為進(jìn)行三維建模。他們最近發(fā)現(xiàn)，即使是同一類(lèi)型的細(xì)胞，也沒(méi)有兩個(gè)形狀是相同的，更不要說(shuō)呈真正的圓形了。威格雷貝說(shuō)：“我們感到很驚訝！”

從細(xì)胞最初被發(fā)現(xiàn)至今已有350多年了，但是從很多方面來(lái)講，細(xì)胞仍然是個(gè)謎。它們?nèi)绾畏謩e形成了大腦細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或其他大約200種不同類(lèi)型的人類(lèi)細(xì)胞？它們又是如何隨著年齡的增長(zhǎng)而變化的呢？更為根本的是，這些細(xì)胞里有水和化學(xué)物質(zhì)，它們?nèi)绾螌⒁唤MDNA指令轉(zhuǎn)化為一種能夠自主行為和協(xié)調(diào)行為的動(dòng)態(tài)生物呢？

在過(guò)去的十年里，這些問(wèn)題的答案成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。多虧顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步，微生物學(xué)家能夠觀察活細(xì)胞的相互作用，并且能夠以高分辨率觀察細(xì)胞內(nèi)部。然而，數(shù)百年來(lái)人們認(rèn)為如此高的分辨率是物理上不可能達(dá)到的。

盡管顯微鏡在其中起到了很大的作用，但這不僅僅是因?yàn)橛腥嗽O(shè)計(jì)了一臺(tái)更高級(jí)的顯微鏡，生物學(xué)家已經(jīng)成為多學(xué)科專(zhuān)家，他們吸收了其他領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)探索最小尺度的生命世界，多領(lǐng)域的技術(shù)結(jié)合開(kāi)辟了一種觀察細(xì)胞內(nèi)部活性的全新方式。加州大學(xué)伯克利分校的埃里克·貝齊格（Eric Betzig）在這一領(lǐng)域的研究為他贏得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他認(rèn)為這種新的認(rèn)識(shí)預(yù)示著，人們的看法將不同于從牛頓到愛(ài)因斯坦的時(shí)代，即將發(fā)生巨大的轉(zhuǎn)變。盡管這一點(diǎn)仍需拭目以待，但毫無(wú)疑問(wèn)的是：跟我們教科書(shū)上以理想的方式展現(xiàn)出來(lái)的細(xì)胞相比，真實(shí)的細(xì)胞更具活力和復(fù)雜性。

加州大學(xué)伯克利分校的顯微鏡學(xué)家兼該校戈盧布收藏館館長(zhǎng)史蒂文·魯津（Steven Ruzin）說(shuō)：“現(xiàn)在，我們有能力在活細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)我們以前無(wú)法找到的東西，我甚至在10年前就已經(jīng)說(shuō)過(guò)這話(huà)了?！?魯津把大量的新數(shù)據(jù)比作是海嘯。戈盧布收藏館的特色收藏中擁有過(guò)去350年間的160多臺(tái)顯微鏡。

生物學(xué)家使用的顯微鏡跟許多高中使用的顯微鏡不同，是有光源照亮標(biāo)本的。這些顯微鏡受衍射定律的限制，分辨率在模糊的250納米以外。通過(guò)這些顯微鏡，你可以看到紅細(xì)胞（7 000納米）和細(xì)菌（300到5 000納米），也可以看到其中一些單獨(dú)的成分，但是，幾乎看不到所有的病毒、蛋白質(zhì)和許多其他結(jié)構(gòu)。

此外，由于細(xì)胞是透明的，研究人員經(jīng)常將細(xì)胞殺死，然后染色，以提供更好的對(duì)比度。因此在過(guò)去，科學(xué)家們通常像驗(yàn)尸官一樣，戳一戳細(xì)胞尸體，給它們注射毒素。魯津說(shuō)：“這樣的做法已有幾百年的歷史了?！?/p>

1931年，恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）和馬克斯·諾爾（Max Knoll）發(fā)現(xiàn)了如何利用電子來(lái)代替用來(lái)照亮標(biāo)本的光子，從而制造出第一臺(tái)電子顯微鏡。電子的波長(zhǎng)比光短得多，因此能夠使其分辨率達(dá)到50皮米（相當(dāng)于1納米的1/20），大致相當(dāng)于氫原子中原子核與電子之間的距離。

電子顯微鏡擁有極高的分辨率，但是，電子顯微鏡無(wú)法穿透細(xì)胞表面，除非研究人員把細(xì)胞切成薄片。因此，生物學(xué)家繼續(xù)研究死亡標(biāo)本。后來(lái)，突然有人說(shuō)：“天哪，我們不應(yīng)該這么做，因?yàn)檫@樣做人為因素太多了！”他們突然想到，驗(yàn)尸官是不適合研究生命的！

在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初期，生物學(xué)家在學(xué)習(xí)如何讓細(xì)胞存活以及如何觀察細(xì)胞和拍攝細(xì)胞，同時(shí)顯微鏡技術(shù)的一個(gè)突破性進(jìn)展也正在醞釀之中。從2000年開(kāi)始，一系列論文紛紛宣布，超分辨率顯微鏡出現(xiàn)了：這套顯微工具可以讓科學(xué)家以幾十納米的分辨率看到活細(xì)胞的內(nèi)部，這個(gè)分辨率是長(zhǎng)期以來(lái)公認(rèn)可達(dá)到的最佳分辨率的1/10。

包括貝齊格在內(nèi)的三位科學(xué)家分享了2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄儎?chuàng)造了不同類(lèi)型的熒光顯微鏡，使人們能夠在光衍射極限以下觀察活細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)。

熒光顯微鏡利用的是熒光團(tuán)，熒光團(tuán)是吸收特定波長(zhǎng)的光之后發(fā)出熒光分子。對(duì)這些分子可以進(jìn)行基因編碼，也可以通過(guò)化學(xué)方式將其附著在標(biāo)本的分子上，在這種情況下這些分子被稱(chēng)為“探針”。傳統(tǒng)顯微鏡將標(biāo)本置于光線(xiàn)之下，產(chǎn)生高對(duì)比度圖像。熒光顯微鏡有所不同，這種顯微鏡觀察的細(xì)胞是暗的，只有星星點(diǎn)點(diǎn)的熒光穿透細(xì)胞。你可以想象一下：在一個(gè)漆黑的俱樂(lè)部里，你可以通過(guò)彩色發(fā)光棒找到你的朋友。

貝齊格意識(shí)到，通過(guò)反復(fù)成像和疊加圖像，他的團(tuán)隊(duì)可以重建3D標(biāo)本。這有點(diǎn)像光束燈，快速移動(dòng)并照射著整個(gè)房間，擁有全方位的照射角度，而不會(huì)擾亂黑暗氣氛或狂歡者。威格雷貝解釋說(shuō)，熒光顯微鏡的優(yōu)勢(shì)在于，科學(xué)家可以利用熒光團(tuán)標(biāo)記特定的結(jié)構(gòu)，然后直接觀察它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)。

然而，即使這種方法也有局限性，科學(xué)家們看不到任何沒(méi)有色彩編碼的東西。出于各種各樣的原因（其中許多是化學(xué)原因），科學(xué)家們?cè)诿總€(gè)標(biāo)本中只能使用少數(shù)幾個(gè)探針，但是在人類(lèi)細(xì)胞中有數(shù)千種蛋白質(zhì)和幾十種不同的結(jié)構(gòu)。密歇根大學(xué)生物物理學(xué)家薩拉·維奇（Sarah Veatch）正在利用熒光顯微鏡研究卡進(jìn)細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)，她說(shuō)：“如果不是正在尋找的東西，你就發(fā)現(xiàn)不了。”

回到夜總會(huì)的那個(gè)比喻上來(lái)：你的朋友拿著五顏六色的熒光棒，你可以很容易地認(rèn)出他們。但是，如果周?chē)臇|西沒(méi)有類(lèi)似的區(qū)別性發(fā)光設(shè)計(jì)，那么你就不知道周?chē)亲酪芜€是其他顧客。

為了更加全面地理解細(xì)胞，研究人員越來(lái)越多地利用其他學(xué)科的工具了。在過(guò)去的十年中，超分辨率方法激增，其中許多方法是由計(jì)算機(jī)和機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步所推動(dòng)的。有些方法利用高速相機(jī)或反差色相機(jī)的處理能力來(lái)分辨這些圖像或跟蹤微小的變化。冷凍電鏡使用新的快速冷凍技術(shù)來(lái)有效拍攝細(xì)胞的所有成分。同時(shí)，研究人員也在利用機(jī)器人技術(shù)。

日本電子光學(xué)公司（JEOL）是一家制造電子顯微鏡等儀器的全球制造商，公司資深的銷(xiāo)售與產(chǎn)品經(jīng)理弗恩·羅伯遜（Vern Robertson）說(shuō)：“自動(dòng)化和機(jī)械化使標(biāo)本和光束非常穩(wěn)定，足以利用這種新的分辨率來(lái)創(chuàng)建3D圖像。然后，通過(guò)從各種不同角度拍攝的數(shù)千張圖像來(lái)重建標(biāo)本，這就是大量自動(dòng)化和計(jì)算功能介入的優(yōu)勢(shì)。”

俄勒岡大學(xué)物理學(xué)家本·麥克莫倫（Ben McMorran）稱(chēng)：“由于信息很多，科學(xué)家們很難僅僅用眼睛來(lái)辨別哪些信息是重要的，哪些信息是新的，我們?cè)絹?lái)越依賴(lài)機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺(jué)了。因此，我們?cè)陔娔X中輸入一系列看起來(lái)正常的數(shù)據(jù)，而電腦變得越來(lái)越擅長(zhǎng)識(shí)別數(shù)據(jù)是否正常，然后會(huì)提請(qǐng)我們注意?！?/p>

麥克莫倫正在探索一種被稱(chēng)為“掃描透射電鏡全息術(shù)”的方法，這種方法利用機(jī)器人自動(dòng)化和電子的概率性穿行，從每個(gè)可能的角度掃描冷凍的標(biāo)本。通過(guò)識(shí)別電子相位的微妙變化，能夠重建標(biāo)本內(nèi)部的信息。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，顯微鏡在某些方面已經(jīng)超過(guò)了人的眼睛。有時(shí)，計(jì)算機(jī)可以重新組合數(shù)據(jù)，以提供單一數(shù)據(jù)源無(wú)法提供的信息。在艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所，威格雷貝及其同事正在將真實(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)建細(xì)胞圖像。最近，他們發(fā)布了名為“整合有絲分裂干細(xì)胞”的成果，以3D交互的方式展示了15個(gè)關(guān)鍵的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是如何隨著細(xì)胞分裂而發(fā)生變化的。

在最近一次新聞發(fā)布會(huì)上，艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所執(zhí)行所長(zhǎng)里克·霍維茨（Rick Horwitz）說(shuō)：“一旦你將這一過(guò)程視為一幅完整的畫(huà)面，你就可以揭示出乎意料的關(guān)系，可以針對(duì)全新的問(wèn)題進(jìn)行提問(wèn)和作答。”

維奇正在使用超分辨率成像來(lái)研究細(xì)胞壁或細(xì)胞膜中的特定蛋白質(zhì)如何影響受體在細(xì)胞表面上的相互作用。這項(xiàng)研究對(duì)于癌癥免疫療法很重要，它根據(jù)癌細(xì)胞表面的信號(hào)受體，訓(xùn)練個(gè)人的免疫系統(tǒng)，使其靶向攻擊特定的癌癥病灶。她將這些新型超分辨率方法與細(xì)胞生物學(xué)家的顯微鏡進(jìn)行了比較：“利用超分辨率，你不僅能夠看到微小的東西，還能夠更加清晰地看到正在尋找的微弱變化?！?/p>

貝齊格認(rèn)為：“到目前為止，我們的理解過(guò)于簡(jiǎn)單化了，而且也許過(guò)于機(jī)械化了，我們沒(méi)有弄明白的情況還有許多。細(xì)胞中常發(fā)生很多不易分類(lèi)、不易解釋的情況，這是一個(gè)極其復(fù)雜的環(huán)境，是由可變性和偶然性驅(qū)動(dòng)的，人們將開(kāi)始利用一種全新的方式來(lái)看待生命系統(tǒng)?！?/p>