先进显微镜揭示细胞之谜

编译 胡德良

从细胞最初被发现至今已有350多年了，但是从很多方面来讲，细胞仍然是个谜。随着显微镜技术的不断进步，研究人员逐渐揭开了细胞的秘密。

生物物理学家温弗里德·威格雷贝（Winfried Wiegraebe）说：“打开任何生物学课本，你都会看到一个浑圆的细胞颇具艺术性地呈现在你面前。”然而，事实更为复杂。在西雅图的艾伦细胞科学研究所，威格雷贝的团队一直在对单个细胞的行为进行三维建模。他们最近发现，即使是同一类型的细胞，也没有两个形状是相同的，更不要说呈真正的圆形了。威格雷贝说：“我们感到很惊讶！”

从细胞最初被发现至今已有350多年了，但是从很多方面来讲，细胞仍然是个谜。它们如何分别形成了大脑细胞、肌肉细胞或其他大约200种不同类型的人类细胞？它们又是如何随着年龄的增长而变化的呢？更为根本的是，这些细胞里有水和化学物质，它们如何将一组DNA指令转化为一种能够自主行为和协调行为的动态生物呢？

在过去的十年里，这些问题的答案成为人们关注的焦点。多亏显微镜技术的进步，微生物学家能够观察活细胞的相互作用，并且能够以高分辨率观察细胞内部。然而，数百年来人们认为如此高的分辨率是物理上不可能达到的。

尽管显微镜在其中起到了很大的作用，但这不仅仅是因为有人设计了一台更高级的显微镜，生物学家已经成为多学科专家，他们吸收了其他领域的专业知识来探索最小尺度的生命世界，多领域的技术结合开辟了一种观察细胞内部活性的全新方式。加州大学伯克利分校的埃里克·贝齐格（Eric Betzig）在这一领域的研究为他赢得了2014年的诺贝尔化学奖，他认为这种新的认识预示着，人们的看法将不同于从牛顿到爱因斯坦的时代，即将发生巨大的转变。尽管这一点仍需拭目以待，但毫无疑问的是：跟我们教科书上以理想的方式展现出来的细胞相比，真实的细胞更具活力和复杂性。

加州大学伯克利分校的显微镜学家兼该校戈卢布收藏馆馆长史蒂文·鲁津（Steven Ruzin）说：“现在，我们有能力在活细胞中发现我们以前无法找到的东西，我甚至在10年前就已经说过这话了。” 鲁津把大量的新数据比作是海啸。戈卢布收藏馆的特色收藏中拥有过去350年间的160多台显微镜。

生物学家使用的显微镜跟许多高中使用的显微镜不同，是有光源照亮标本的。这些显微镜受衍射定律的限制，分辨率在模糊的250纳米以外。通过这些显微镜，你可以看到红细胞（7 000纳米）和细菌（300到5 000纳米），也可以看到其中一些单独的成分，但是，几乎看不到所有的病毒、蛋白质和许多其他结构。

此外，由于细胞是透明的，研究人员经常将细胞杀死，然后染色，以提供更好的对比度。因此在过去，科学家们通常像验尸官一样，戳一戳细胞尸体，给它们注射毒素。鲁津说：“这样的做法已有几百年的历史了。”

1931年，恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）和马克斯·诺尔（Max Knoll）发现了如何利用电子来代替用来照亮标本的光子，从而制造出第一台电子显微镜。电子的波长比光短得多，因此能够使其分辨率达到50皮米（相当于1纳米的1/20），大致相当于氢原子中原子核与电子之间的距离。

电子显微镜拥有极高的分辨率，但是，电子显微镜无法穿透细胞表面，除非研究人员把细胞切成薄片。因此，生物学家继续研究死亡标本。后来，突然有人说：“天哪，我们不应该这么做，因为这样做人为因素太多了！”他们突然想到，验尸官是不适合研究生命的！

在20世纪90年代和21世纪初期，生物学家在学习如何让细胞存活以及如何观察细胞和拍摄细胞，同时显微镜技术的一个突破性进展也正在酝酿之中。从2000年开始，一系列论文纷纷宣布，超分辨率显微镜出现了：这套显微工具可以让科学家以几十纳米的分辨率看到活细胞的内部，这个分辨率是长期以来公认可达到的最佳分辨率的1/10。

包括贝齐格在内的三位科学家分享了2014年的诺贝尔化学奖，因为他们创造了不同类型的荧光显微镜，使人们能够在光衍射极限以下观察活细胞内的结构和蛋白质。

荧光显微镜利用的是荧光团，荧光团是吸收特定波长的光之后发出荧光分子。对这些分子可以进行基因编码，也可以通过化学方式将其附着在标本的分子上，在这种情况下这些分子被称为“探针”。传统显微镜将标本置于光线之下，产生高对比度图像。荧光显微镜有所不同，这种显微镜观察的细胞是暗的，只有星星点点的荧光穿透细胞。你可以想象一下：在一个漆黑的俱乐部里，你可以通过彩色发光棒找到你的朋友。

贝齐格意识到，通过反复成像和叠加图像，他的团队可以重建3D标本。这有点像光束灯，快速移动并照射着整个房间，拥有全方位的照射角度，而不会扰乱黑暗气氛或狂欢者。威格雷贝解释说，荧光显微镜的优势在于，科学家可以利用荧光团标记特定的结构，然后直接观察它们在细胞内部的活动。

然而，即使这种方法也有局限性，科学家们看不到任何没有色彩编码的东西。出于各种各样的原因（其中许多是化学原因），科学家们在每个标本中只能使用少数几个探针，但是在人类细胞中有数千种蛋白质和几十种不同的结构。密歇根大学生物物理学家萨拉·维奇（Sarah Veatch）正在利用荧光显微镜研究卡进细胞膜中的蛋白质，她说：“如果不是正在寻找的东西，你就发现不了。”

回到夜总会的那个比喻上来：你的朋友拿着五颜六色的荧光棒，你可以很容易地认出他们。但是，如果周围的东西没有类似的区别性发光设计，那么你就不知道周围是桌椅还是其他顾客。

为了更加全面地理解细胞，研究人员越来越多地利用其他学科的工具了。在过去的十年中，超分辨率方法激增，其中许多方法是由计算机和机器人技术的进步所推动的。有些方法利用高速相机或反差色相机的处理能力来分辨这些图像或跟踪微小的变化。冷冻电镜使用新的快速冷冻技术来有效拍摄细胞的所有成分。同时，研究人员也在利用机器人技术。

日本电子光学公司（JEOL）是一家制造电子显微镜等仪器的全球制造商，公司资深的销售与产品经理弗恩·罗伯逊（Vern Robertson）说：“自动化和机械化使标本和光束非常稳定，足以利用这种新的分辨率来创建3D图像。然后，通过从各种不同角度拍摄的数千张图像来重建标本，这就是大量自动化和计算功能介入的优势。”

俄勒冈大学物理学家本·麦克莫伦（Ben McMorran）称：“由于信息很多，科学家们很难仅仅用眼睛来辨别哪些信息是重要的，哪些信息是新的，我们越来越依赖机器学习和机器视觉了。因此，我们在电脑中输入一系列看起来正常的数据，而电脑变得越来越擅长识别数据是否正常，然后会提请我们注意。”

麦克莫伦正在探索一种被称为“扫描透射电镜全息术”的方法，这种方法利用机器人自动化和电子的概率性穿行，从每个可能的角度扫描冷冻的标本。通过识别电子相位的微妙变化，能够重建标本内部的信息。

随着技术的进步，显微镜在某些方面已经超过了人的眼睛。有时，计算机可以重新组合数据，以提供单一数据源无法提供的信息。在艾伦细胞科学研究所，威格雷贝及其同事正在将真实数据和预测模型结合起来，创建细胞图像。最近，他们发布了名为“整合有丝分裂干细胞”的成果，以3D交互的方式展示了15个关键的细胞结构是如何随着细胞分裂而发生变化的。

在最近一次新闻发布会上，艾伦细胞科学研究所执行所长里克·霍维茨（Rick Horwitz）说：“一旦你将这一过程视为一幅完整的画面，你就可以揭示出乎意料的关系，可以针对全新的问题进行提问和作答。”

维奇正在使用超分辨率成像来研究细胞壁或细胞膜中的特定蛋白质如何影响受体在细胞表面上的相互作用。这项研究对于癌症免疫疗法很重要，它根据癌细胞表面的信号受体，训练个人的免疫系统，使其靶向攻击特定的癌症病灶。她将这些新型超分辨率方法与细胞生物学家的显微镜进行了比较：“利用超分辨率，你不仅能够看到微小的东西，还能够更加清晰地看到正在寻找的微弱变化。”

贝齐格认为：“到目前为止，我们的理解过于简单化了，而且也许过于机械化了，我们没有弄明白的情况还有许多。细胞中常发生很多不易分类、不易解释的情况，这是一个极其复杂的环境，是由可变性和偶然性驱动的，人们将开始利用一种全新的方式来看待生命系统。”