撰文 | 小溪

突然襲來的新冠肺炎疫情讓人類又一次見識了“病毒”的威力。

肉眼看不到的病毒作為一個物種，很可能從地球生命誕生之初就已經存在，而人類從意識到有病毒存在→看到病毒的模樣→弄清病毒的内部結構成分卻經曆了漫長的過程。

20世紀30年代發明了電子顯微鏡才使在光學顯微鏡下根本找不到的微小病毒現出了真身。

其實，電子顯微鏡最早的思路來自一個“物質波假說”。

20世紀中期發明的X射線晶體衍射技術，最先也來自一個“突發奇想”，清晰的三維重建圖像顯露出病毒的精細結構。

而科學家們仍然沒有滿足，他們期待能更深入地了解病毒複制、緻病的過程，期待有更先進的技術來探索微觀世界的奧秘。

20世紀後期，迎來了多種新型高分辨率顯微技術噴發式發展的年代，縱觀這些發明，最先大多來自“離奇”的想法，某些看來不可能實現的事最終卻獲得了成功。

“異想天開”本是形容胡思亂想的貶義詞，而科學的發展卻證明了有“異想”才可能“天開”，獨特的思路有可能使奇迹出現！

· 颠覆傳統

20世紀70年代末，電子顯微鏡雖然比光學顯微鏡分辨率高，但仍不能清楚地看到單個原子。

IBM公司瑞士蘇黎世實驗室的傑德·賓甯(Gerd Binning)與海因裡希·羅勒(Heinrich Rohrer)都對原子表面的研究十分着迷，但因現有電子顯微鏡的性能限制，無法直接探索原子表面的結構。

賓甯與羅勒為此感到困惑，最終決定自己動手研制一種能在納米級水平上觀察和操縱原子的新設備。

他們了解到量子學中有一種量子隧道效應：原子會從固體的表面逃逸而形成懸浮在固體表面上方的“雲”，當另一個固體表面靠近時，兩者的原子雲會重疊，這樣就會發生原子的交換。

賓甯與羅勒的“異想”由此産生：能否用量子隧道效應來探測原子的表面結構呢？

這與傳統的顯微鏡概念已完全不符，他們自己也沒想到，因為這個“異想”竟有了一項重要的發明。

他們的設想是：

用一個原子尺度的探針在被分析物體的表面掃描，當探針距物體表面非常接近(約納米級距離)時會發生量子隧道效應：電子穿過物體與探針間的空隙形成微弱電流，探針與物體的距離隻要發生微小變化，産生的電流就會相應改變，精确測量所獲的電流值就應能描述出物體表面的形狀。

研制的過程非常艱辛，賓甯與羅勒對最初的設計進行了一系列的改進和調整，提高整個系統的精度，以達到在如此微小的尺度上獲得精确測量結果的目的。

1981年，他們終于獲得了成功。

賓甯、羅勒發明的掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM)(也稱為掃描探針顯微鏡)用一個細小的探針掃描一個原子，可細緻地描繪出該原子的輪廓，并依據測得的電流波動值繪出清晰的單個原子圖像，分辨率達0.01納米(病毒的大小為20~300納米)。

這使研究者第一次有機會進入單個原子和分子的納米級世界，該裝置還可操縱單個原子的推拉，人類對微觀世界的探索由此提升到一個全新的水平。

(賓甯、羅勒與50多年前發明電子顯微鏡的恩斯特•魯斯卡(Ernst Ruska)分享了1986年諾貝爾物理學獎)

傑德•賓甯(Gerd Binning)、海因裡希•羅勒(Heinrich Rohrer)(圖片來自網絡)

掃描隧道顯微鏡原理示意圖(圖片來自網絡)

羅勒(左)、賓甯(右)與他們研制的第一代掃描隧道顯微鏡(1981年) (圖片來自網絡)

新型的掃描隧道顯微鏡(2016年)(圖片來自網絡)

不同年代掃描隧道顯微鏡所獲圖像的對比(圖片來自網絡)

掃描隧道顯微鏡隻能測導體和部分半導體樣品，賓甯再接再厲，1985年又與卡爾文·奎特(Calvin Quate)、克裡斯托夫·格伯(Christoph Gerber)發明了另一類型的掃描探針顯微鏡——原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡稱AFM)。

原子力顯微鏡的原理是利用微小懸臂來感受、放大懸臂上極尖細的探針與受測樣品原子間的作用力，從而達到具有原子級分辨率的檢測結果。

原子力顯微鏡既可以測金屬樣品外還可測非金屬樣品，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。

卡爾文•奎特(Calvin Quate)、克裡斯托夫•格伯(Christoph Gerber)(圖片來自網絡)

原子力顯微鏡原理示意圖(圖片來自網絡)

原子力顯微鏡屬于非破壞性和非侵入性的成像技術，以非常高的分辨率将微生物的複雜結構可視化。

用原子力顯微鏡可觀察病毒顆粒的形态、研究病毒的表面特性、識别病毒衣殼内部蛋白質的排列、觀察細胞被病毒感染的生物過程等。

這對快速、準确地識别病毒，了解病毒内部的結構十分有利，在流行病學及臨床治療研究中具有重要的意義

(賓甯、奎特與格伯獲得了2016年科維理納米科學獎(專門表彰開創性研究的國際大獎))。

第一台原子力顯微鏡(1985年)(圖片來自網絡)

新型的原子力顯微鏡 (圖片來自網絡)

單個鼠微小病毒(MVM)粒子的原子力顯微鏡圖像及測量數據 (圖片來自網絡)

· “異想”之念

運用原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡技術雖然已可拍攝到單個原子的圖像(原子直徑約0.1納米)，但這些技術均要向觀測目标發射電子束，這對生物樣本來說仍具有較大的破壞性，且無法看到生物樣本微小結構的内部。

有沒有更好的辦法呢？

美國華盛頓大學的約翰·西德斯(John Sidles)是位比較奇怪的人，他既是醫學研究員又是量子系統工程師，對量子自旋成像及計量學的實驗以及為再生醫學服務的量子模拟理論很感興趣。

1991年，西德斯正在研發對抗艾滋病毒的藥物。他看到了IBM公司關于原子力顯微鏡的介紹。

原子力顯微鏡利用微小懸臂來感受及放大懸臂上極尖細的探針與受測樣品原子間的作用力，這一點令西德斯很感興趣，他腦子裡卻“異想”出另外一個念頭：

能否将原子力顯微鏡的掃描探針顯微技術與已在生物學、醫學領域廣泛應用的磁共振成像技術( Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI)(一種生物結構微米級三維成像技術)結合起來，以得到生物結構更高分辨率的三維圖像？

他開創性地提出了磁共振力顯微鏡(Magnetic Resonance Force Microscopy，簡稱MRFM)的理論概念并實現了原理性的工作。

西德斯邀請IBM公司的丹尼爾•魯格(Daniel Rugar)幫助設計，合作開發磁共振力顯微鏡。

西德斯、魯格以及約翰·馬明(John Mamin)等人設法将樣品放置在極小的懸臂尖端，依據在設定實驗條件下探測到的極小磁力數據創建出生物結構的納米級三維圖像。

1992年，世界首台磁共振力顯微鏡在IBM公司實驗室開始工作，在後續的改進中，分辨率不斷提高。

約翰•西德斯(John Sidles)、丹尼爾•魯格(Daniel Rugar)、約翰•馬明(John Mamin)(圖片來自網絡)

磁共振力顯微鏡原理示意圖(除外部磁場外，樣品還處于磁場螺線管的交變磁場中)(圖片來自網絡)

磁共振力顯微鏡同時具備了磁共振成像的三維探測能力與掃描探針顯微術的納米分辨能力，信噪比極高。

2004年，魯格等人利用這種技術成功拍攝到了單個電子的自旋。

磁共振力顯微鏡單個電子自旋實驗示意圖(圖片來自網絡)

随着靈敏度及空間分辨率的不斷提高，磁共振力顯微鏡不僅用于生物分子三維結構的測定，還在多個研究領域發揮了重要作用。

2009年1月，美國IBM實驗室用磁共振力顯微鏡首次拍攝到單個煙草花葉病毒粒子的三維結構圖像(分辨率4納米)。

病毒樣本放置在顯微鏡的超小懸臂上(用于調節樣本與磁體的位置)，在極低溫度條件下，用激光測出不同磁場值下懸臂産生的瞬間振動，通過病毒樣本在磁場中的位置移動生成清晰的三維圖像。

他們的研究成果發表在《美國國家科學院院刊》上(魯格、馬明獲《美國國家科學院院刊》2009年度的科紮雷利獎(Cozzarelli Prize)；魯格、馬明、西德斯2011年分享了核磁共振領域的最高獎項之一——岡瑟·勞金獎(Günther Laukien Prize)。

對研究分子結構與蛋白質相互作用的結構生物學家來說，磁共振力顯微鏡是十分得力的工具，特别是對一些不能結晶，無法利用X射線進行衍射分析的生物樣本來說，磁共振力顯微鏡極為有效，不僅可以看到構成基本DNA結構的成分，還能拍攝出生物分子的互動圖像。

魯格(右一)、馬明(中)與磁共振力顯微鏡(圖片來自網絡)

(A-C)磁共振力顯微鏡拍攝到的煙草花葉病毒粒子；

(D)病毒片段的水平切片；(E)同一區域的掃描電子顯微照片；

(F)吸附在背景層表面的兩個病毒粒子；

(G)數據修正後重建的兩個病毒粒子圖像(圖片來自網絡)

· 冷凍一下？

再舉一個“異想”的例子。

電子顯微鏡在材料科學領域的應用廣泛，而生物學領域的應用遇到一些困難。

這是因為電子顯微鏡的電子束會造成含水生物樣品的損傷(被電子束殺死或在真空條件下脫水而死)，而生物樣品不含水份無法穩定，如用脫水幹燥工藝來制作樣品的話則會導緻電子顯微鏡的成像分辨率大大降低(降至~1.5納米)，加之電子顯微鏡隻能在高真空條件下工作。

如何才能讓電子顯微鏡能直接觀察到真實的含水生物樣品呢？

美國加州大學的羅伯特·格萊瑟(Robert Glaeser)和肯尼斯•泰勒(Kenneth Taylor)1974年時“異想”出一個新思路：

通過“冷凍”的方法來降低電子束對含水生物樣品分子結構的輻照損傷，同時還可避免生物樣品在高真空環境中的脫水，從而獲得含水生物樣品的電子顯微鏡高分辨率成像。

這可以說是冷凍電子顯微鏡最初的設想，他們也進行了一些相關的實驗，但真正實現冷凍電子顯微鏡這個設想還有很多難關需要攻克。

約20年後，他們的這個“異想”在多位大伽的努力下才變成了現實！

羅伯特•格萊瑟(Robert Glaeser)(圖片來自網絡)

1982年，瑞士洛桑大學的雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)團隊開發出了實用的、可将生物樣品速凍于玻璃态冰中的方法和裝置，能成功地生物樣品進行“冷凍保鮮”。

杜波切特的生物樣品玻璃化法示意圖(圖片來自網絡)

1975年至1986年期間，美國哥倫比亞大學的喬希姆·弗蘭克(Joachim Frank)團隊開發出一種新的圖像處理技術——稱為“單顆粒重構(Single-Particle Reconstruction)”技術，可有效地降低圖像中的噪音，将電子顯微鏡下獲得的模糊的二維圖像分析合成為清晰的三維結構。

用單顆粒重構技術獲得的煙草花葉病毒三維結構(圖片來自網絡)

蘇格蘭的理查德·亨德森(Richard Henderson)在“電子顯微三維重構技術(阿倫•克魯格提出的)”基礎上開創了二維電子晶體學的三維重構技術。

1990年，他應用該技術技術解析出一個膜蛋白的三維結構(原子級分辨率)，他還為冷凍電子顯微鏡技術的發展提供了很多理論分析的依據及關鍵建議。

亨德森1990年解析出的一個膜蛋白三維結構(圖片來自網絡)

杜波切特、弗蘭克以及亨德森的貢獻使冷凍電子顯微鏡(Cryo-Electron Microscopy，簡稱Cryo-EM)得以成為實用的技術。

随着相關的計算機控制、探測、圖像處理等技術的發展，冷凍電子顯微鏡的分辨率達到了0.2~0.3納米，突破了X射線晶體衍射和核磁共振技術的局限，成為研究蛋白及病毒結構、分布與功能的重要手段，使解析高分辨率生物大分子複合物的三維結構變得更為容易，對推動結構生物學、醫藥學等學科的發展産生了巨大影響(這三位物理學家獲得了2017年的諾貝爾化學獎，被趣稱為是發給了物理學家的諾貝爾化學獎，獎勵他們幫助了生物學家)。

喬希姆·弗蘭克(Joachim Frank)、雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、理查德•亨德森(Richard Henderson)(圖片來自網絡)

冷凍電子顯微鏡(2015年、2019年)(圖片來自網絡)

冷凍電子顯微鏡下的寨卡(Zika)病毒粒子三維結構圖像重建(2016年)(圖片來自網絡)

2020年2月，中國西湖大學的施一公團隊用冷凍電子顯微鏡技術成功解析新冠病毒受體血管緊張素轉換酶2（ACE2）的全長結構(圖片來自網絡)

上述幾個因“異想”而産生、發展的新型電子顯微技術，令人不得不對這些敢于“異想”的人由衷地表示敬佩。

科技的發展并沒有盡頭，電子顯微鏡的優勢雖然明顯，卻也存在着本質的缺陷：無法用于活細胞的觀察以及獲取生物活動的動态信息。

光學顯微鏡的“阿貝極限”究竟有沒有可能真正被突破呢？

科學家們仍在努力！

來源：中科院高能所

編輯：tzy

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