新款顯微鏡能直接查看原子水平線(xiàn)粒體與核糖體
發(fā)布人：shpuda發(fā)布時(shí)間：2014/4/22
偏光顯微鏡(microscope)作為一種借助物理方法產(chǎn)生物體放大影像的儀器用于科學(xué)研究，至今已經(jīng)有數百年歷史，而且已經(jīng)成為一種極為重要的科學(xué)儀器， 廣泛地用于生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、冶金學(xué)、釀造等各種科研活動(dòng)，對人類(lèi)的發(fā)展做出了巨大而卓越的貢獻。
據美國2014年3月28日報道，科學(xué)家已經(jīng)研究出新型電子偏光顯微鏡，該顯微鏡能夠觀(guān)察到接近原子水平的線(xiàn)粒體核糖體(mitochondrial ribosome)的結構(見(jiàn)下圖)，這種顯微鏡發(fā)展史上具有里程碑意義的研究成果，對于結構生物學(xué)研究而言，無(wú)疑在技術(shù)支撐方面帶來(lái)了革命性的新變化。下圖是酵母線(xiàn)粒體核糖體的結構圖示，與細菌核糖體(藍色)和哺乳動(dòng)物線(xiàn)粒體核糖體(紅色)有類(lèi)似的一些特性，但是有些特征只有在酵母中存在(黃色)。
Fig. 1 The structure of the yeast mitochrondrial ribosome (shown) shares some features with the bacterial ribosome (blue) and with
mammalian mitochondrial ribosomes (red). Some features are present only in yeast (yellow).Credit: Alan Brown
偏光顯微鏡發(fā)展歷史
盡管關(guān)于顯微鏡的發(fā)展歷史，甚至可以追溯到16世紀晚期，當時(shí)復式顯微鏡就已經(jīng)問(wèn)世。如1595年，荷蘭的著(zhù)名磨鏡師詹森(Zacharias Janssen， born 1585 - died pre-1632)發(fā)明了第一個(gè)簡(jiǎn)陋的復式顯微鏡。這種顯微鏡是由3個(gè)鏡筒連接而成。當該顯微鏡的2個(gè)活動(dòng)鏡筒完全收攏時(shí)，它的放大倍數是3倍;當2個(gè)活動(dòng)鏡筒完全伸出時(shí)，它的放大倍數是10倍，其實(shí)這也是最早的變焦鏡頭。
復式偏光顯微鏡在性能上明顯優(yōu)于單式顯微鏡(即只有一個(gè)透鏡的顯微鏡)，首先是它可以把幾個(gè)放大倍數較小的凸透鏡組合起來(lái)獲得很高的放大率;其次是制造工藝較簡(jiǎn)單，不必磨制一個(gè)個(gè)極小的透鏡。復式顯微鏡的發(fā)明，是科學(xué)史上的里程碑，人類(lèi)從此開(kāi)始認識微觀(guān)世界變得更加容易。不過(guò)，由于技術(shù)條件不成熟，16世紀的顯微鏡放大倍數都不高，因此在16世紀，人類(lèi)在探索微觀(guān)世界方面并沒(méi)有什么激動(dòng)人心的發(fā)現。但是到了17世紀，單式偏光顯微鏡的發(fā)展與其說(shuō)是科學(xué)儀器，不如說(shuō)是藝術(shù)品。盡管如此，列文?虎克(Avon Leeuwenhoek， 1632-1723)的單式顯微鏡還是值得一提，它被認為是單式顯微鏡發(fā)展的頂峰。
列文?虎克是一位荷蘭科學(xué)家，他在1677年用自制的高倍放大鏡觀(guān)察池塘水中的原生動(dòng)物、蛙腸內的原生動(dòng)物、人類(lèi)和哺乳類(lèi)動(dòng)物的精子;后又在鮭魚(yú)的血液中看到紅細胞的核。1683年，他又在牙垢中看到了細菌。他把觀(guān)察的現象報告給英國皇家學(xué)會(huì )，得到英國皇家學(xué)會(huì )的肯定。
列文?虎克出身于布商，他最初磨制透鏡的目的是為了檢驗布的質(zhì)量，但他在掌握了高水平的磨制透鏡技術(shù)后，進(jìn)而利用透鏡組裝成偏光顯微鏡，并利用自制的顯微鏡發(fā)現了前人未曾見(jiàn)到過(guò)的一些活細胞，這些成就是十分難能可貴的。他一生親自磨制了550個(gè)透鏡，裝配了247架顯微鏡，為人類(lèi)創(chuàng )造了一批寶貴的財富，至今保留下來(lái)的有9架，現存于荷蘭尤特萊克特大學(xué)博物館(University Museum of Utrecht)中的一架放大倍數為270倍，分辨力為1.4 μm。在當時(shí)，這個(gè)水平是很高的，直到19世紀初所制的顯微鏡還未超過(guò)這一水平。因此，我們不能忽視他對細胞生物學(xué)的發(fā)展所做貢獻的重要性，賦予他原生動(dòng)物之父本身就是對其貢獻的一種肯定。
雖然說(shuō)列文?虎克一生制造了數百個(gè)偏光顯微鏡，它們的共同特點(diǎn)都是非常小，而且設計和功能也相似，這不能不說(shuō)也是其一大缺陷。盡管如此，他的顯微鏡對于細胞生物學(xué)的研究，真正觀(guān)察活細胞仍然具有里程碑意義。
17 世紀制造和使用復式顯微鏡的除了列文?虎克之外，還有意大利物理學(xué)家、數學(xué)家、天文學(xué)家及哲學(xué)家伽利略((Galileo Galilei， 1564-1642)和英國博物學(xué)家、發(fā)明家羅伯特?胡克(Robert Hooke，1635-1703)，他設計制造了真空泵、顯微鏡和望遠鏡，并將自己用顯微鏡觀(guān)察所得寫(xiě)成《顯微術(shù)》一書(shū);cell(細胞)一詞就是由他命名的，中文翻譯后稱(chēng)為細胞。
19世紀和20世紀初期，顯微鏡的研究已經(jīng)取得了長(cháng)足發(fā)展，先后出現了帶自動(dòng)照相機的光學(xué)顯微鏡、裝有場(chǎng)發(fā)射槍的掃描電子顯微鏡、超高壓透射電子顯微鏡等。電子顯微鏡技術(shù)的開(kāi)拓者之一恩斯特?奧古斯特?弗里德里希?魯斯卡(Ernst August Friedrich Ruska，1906-1988)特別值得一提。
恩斯特?魯斯卡生于海德堡，是德國東方學(xué)家、科學(xué)歷史學(xué)家和教育家尤利烏斯?魯斯卡(Julius Ruska)的兒子，恩斯特?魯斯卡的弟弟赫爾穆特?魯斯卡(Helmut Ruska)是一名醫生，也是電子偏光顯微鏡的先驅之一。恩斯特?魯斯卡在海德堡讀完中學(xué)后，1925年起在慕尼黑工業(yè)大學(xué)學(xué)習電子學(xué)，1927年轉到柏林工業(yè)大學(xué)，1931年4月7日，他和馬克斯?克諾爾(Max Knoll)成功用磁性鏡頭制成第一臺二級電子光學(xué)放大鏡，實(shí)現了電子顯微鏡的技術(shù)原理，基于磁場(chǎng)會(huì )因電子帶電而偏移的現象，使得通過(guò)鏡頭的電子射線(xiàn)能夠像光線(xiàn)一樣被聚焦，當時(shí)被稱(chēng)為“超顯微鏡”。因為電子的波長(cháng)遠小于光線(xiàn)的波長(cháng)，因此電子顯微鏡的分辨率明顯優(yōu)于光學(xué)顯微鏡。
1933年恩斯特?魯斯卡完成論文《關(guān)于電子顯微鏡的磁性鏡頭》(über ein magnetisches Objektiv für das Elektronenmikroskop)并獲得博士頭銜。由于電子偏光顯微鏡的商業(yè)化開(kāi)發(fā)不是大學(xué)研究所的任務(wù)，研究所的儀器也無(wú)法達到這個(gè)要求，恩斯特? 魯斯卡開(kāi)始在電子光學(xué)的工業(yè)界尋求新的發(fā)展。
他于1933～1937年在柏林電視機股份公司(Berliner Fernseh AG)的研發(fā)部門(mén)工作，負責電視機接收發(fā)送管和帶二級放大器的光電池的開(kāi)發(fā)。在此期間，他同博多?馮?博里斯(Bodo von Borries)開(kāi)始試探性地開(kāi)發(fā)高分辨率的電子顯微鏡。1936年底1937年初，他們在西門(mén)子公司的電子顯微鏡工業(yè)研發(fā)工作實(shí)現了這一目標，在柏林設立了電子顯微鏡實(shí)驗室，并于1939年研發(fā)出了第一臺能夠批量生產(chǎn)的“西門(mén)子-超顯微鏡”。
恩斯特?魯斯卡因為對電子顯微鏡研究的突出貢獻，1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。他們設計制造的電子顯微鏡，其性能遠遠超過(guò)了光學(xué)顯微鏡。后來(lái)經(jīng)過(guò)人們的努力，電子顯微鏡的分辨率由最初的500 nm提高到現在的0.1 nm;放大率已達到幾十萬(wàn)倍以上。例如穿透式電子顯微鏡可放大80萬(wàn)倍，可以看出分子的形象;掃描式電子顯微鏡可用以觀(guān)察立體的表面，放大倍率約20萬(wàn)倍。
電子顯微鏡分為透射電子偏光顯微鏡、能量過(guò)濾透過(guò)式電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡等類(lèi)型。從20 世紀50年代開(kāi)始，研究者們應用電子顯微鏡相繼取得了很多重要成就，可以說(shuō)，電子顯微鏡的出現大大推動(dòng)了人類(lèi)的科學(xué)研究，特別是新興的數碼成像技術(shù)更是把顯微攝影技術(shù)推向了一個(gè)新高峰，使顯微科學(xué)與數字技術(shù)的發(fā)展牢固地結合起來(lái)，為人類(lèi)的科學(xué)發(fā)展做出了重大貢獻。
低溫電子顯微鏡重振結構生物學(xué)領(lǐng)域研究
低溫電子偏光顯微鏡(cryo-EM)雖然是結構生物學(xué)研究中的重要工具，但其潛力還未充分發(fā)揮出來(lái)。近期的技術(shù)進(jìn)步大大提高了cryo-EM的分辨率，正在重振這一領(lǐng)域。在單粒子cryo-EM實(shí)驗中，大分子集合體被冷凍在一層薄薄的冰中，并用電子顯微鏡成像。單個(gè)集合體的數千至數百萬(wàn)幅圖像必須經(jīng)過(guò)計算機比對和合并，以獲得一個(gè)三維結構。
與X射線(xiàn)晶體衍射相比，cryo-EM的一個(gè)明顯優(yōu)勢就是不需要結晶，這大大拓寬了其研究領(lǐng)域，使生物大分子及其復合物的構象研究成為可能。運用這種方法，一些生物樣品如病毒和大腸桿菌70S核糖體的三維重構圖已經(jīng)得到，但分辨率不是很高。
而最近英國分子生物學(xué)MRC實(shí)驗室(MRC Laboratory of Molecular Biology)的科學(xué)家，他們使用單個(gè)粒子降臨的cryo-EM研究酵母線(xiàn)粒體核糖體大亞單元的結構，0.32 nm分辨率能夠使其在接近原子水平給出一個(gè)近乎完整的三維構型圖像，其包括了39種蛋白質(zhì)，其中有13中蛋白質(zhì)是線(xiàn)粒體獨有的，而且還有擴張的線(xiàn)粒體多糖體RNA(mitoribosomal RNA)片段。得到如此龐大的(3 MD即3-megadalton)生物機器近原子水平的圖像，既不需要蛋白質(zhì)結晶，也不需要廣泛凈化，所以這種分析方法被認為在電子偏光顯微鏡發(fā)展史上具有里程碑意義。
這種核糖體在真核線(xiàn)粒體(eukaryotic mitochondria)中發(fā)現。它不同于酵母細胞質(zhì)中的核糖體和其他真核生物細胞中的核糖體，也不同于細菌核糖體。由2009年諾貝爾化學(xué)獎得主萬(wàn)卡特拉曼?萊馬克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、托馬斯?施泰茨(Thomas A. Steitz)和阿達?尤納斯(Ada E. Yonath)曾經(jīng)得到了核糖體三維X-射線(xiàn)晶體結構。新的分辨率在0.32nm的線(xiàn)粒體核糖體結構是由萬(wàn)卡特拉曼?萊馬克里斯南等人合作完成。
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