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破百年光學束縛啟納米顯微時代德美3科學家奪化學諾獎

鉅亨網新聞中心 2014-10-09

The Nobel Prize in Chemistry 2014 was awarded jointly to Eric Betzig, Stefan W. Hell and William E. Moerner "for the development of super-resolved fluorescence microscopy".

顯微鏡讓人類得以窺探微觀世界,觀察微生物和細胞,但受制於光線和技術限制,一般光學顯微鏡無法分辨小於0.2微米(即0.0002毫米)的物體。美國科學家貝齊格、莫爾納爾及德國科學家黑爾,透過利用熒光分子成功打破界限,帶領人類從微米世界走進納米(奈米)世界,為科學研究向前邁進一大步。三人的貢獻昨日獲得肯定,共同榮獲本年度諾貝爾化學獎。評選委員會讚揚3人的突破性研究成果,巧妙地繞過了傳統光學的束縛,使顯微鏡能夠窺探納米世界。

香港《文匯報》綜合外電消息,瑞典皇家科學院昨(8日公布,3人因為「發明超分辨率熒光顯微技術」得獎,將瓜分800萬瑞典克朗(約861萬港元)獎金。評審委員會表示,今次獲獎的兩種提升顯微鏡分辨率的方法,分別由貝齊格和黑爾研發,莫爾納爾的研究則對貝齊格成功取得突破有關鍵功勞,因此決定由3人共享殊榮。

 

顯微鏡技術早於數百年前已逐步成形,分辨率亦隨技術進步不斷提升,但受制於光線波長限制,0.2微米成為顯微鏡難以突破的樽頸。德國物理學家阿貝在1873年提出「繞射極限」(Diffraction limit概念,稱0.2微米是傳統光學顯微技術解像度的物理極限。很多人就這樣接受現實,但亦有小部分科學家堅定不移,矢志打破界限。

1990年完成博士學位後,黑爾一直尋找突破「繞射極限」的方法,更不惜從德國前赴芬蘭,結果遇上當時仍處於研究階段的熒光顯微學。黑爾靈機一觸,想到設計一種「納米電筒」,可在納米範圍內掃描目標樣本,並以此為基礎構建「受激發射損耗」(STEDStimulated emission depletion microscopy顯微技術。雖然他的理論未有即時引起哄動,但已引來學界關注。黑爾其後製作STED顯微鏡,更在2000年實際展示其功能,聲名大噪。

而在大西洋對岸的美國,莫爾納爾1989年成為全球首位量度單分子光吸收量的科學家,並在8年後受到「綠色熒光蛋白」(GFP啟發,發展出能夠開關GFP發光功能的方法。「綠色熒光蛋白」是2008年化學諾獎得獎研究,當年得獎者包括已故「中國導彈之父」錢學森堂侄、美國華裔科學家錢永健。

莫爾納爾為科學家觀察單一分子打開大門,更成為貝齊格的突破口。貝齊格多年來為突破「繞射極限」費盡腦筋,他利用莫爾納爾對可開關熒光分子的研究,研發出「單分子顯微技術」,透過重覆掃描目標樣本,並在每次拍攝時只讓少量分子發光,最後把所得圖像重疊在一起,得出解像度突破「繞射極限」的顯微影像。

雖然目前也有電子顯微鏡等能提供高分辨率顯微,然而這些方法的準備過程會殺死細胞,因此無法用於觀察活細胞的活動。

 

諾獎評審委員會指出,得獎者的研究容許人類觀察病毒以至細胞內的蛋白質,對了解有關物質的功能作出重大貢獻,例如可用於觀察柏金遜症、腦退化症和亨廷頓症患者體內的蛋白變化等。委員會讚揚3人的研究不僅為人類未來探求知識打下重要基礎,他們現在仍然站在科研的最前線,透過科學研究為人類社會謀福祉。

香港《明報》援引外媒報導,貝齊格(Eric Betzig是熒光顯微技術領域科學家,現就職於霍華德休斯醫學研究中心。莫爾莫納(William E. Moerner是光譜領域著名學者,現為美國史丹福大學講座教授。黑爾(Stefan W. Hell則是德國哥廷根大學教授,現為馬克斯普朗克生物物理化學研究所長。

瑞典皇家科學院的聲明說﹕「他們的突破性成就讓光學顯微技術達到可觀察納米結構的程度。」評委指出,光學顯微鏡以前能觀測到整個細胞和某些細胞器輪廓,但無法看到蛋白質分子在細胞內的相互作用。這就相當於只能看到城市的建築,卻無法看清在這些建築中生活的人們。

 

黑爾得知自己獲獎後說:「我非常驚訝,不敢相信得獎。還好我認得諾馬克(Nordmark,瑞典皇家科學院常任秘書)的聲音,知道這是真的。」在巴西參加研討會的莫納則是接到妻子報喜才知獲獎。

黑爾於2000年開發出「受激發射損耗(STED顯微鏡」。他用一束激光激發熒光分子發光,再用另一束激光消除掉納米尺寸以外的所有熒光,通過兩束激光交替掃描樣本,呈現出「納米級」圖像。

 

貝齊格和莫納則為另一種顯微鏡技術——單分子顯微鏡的發展奠定了基礎。這一方法讓單個熒光分子在不同時機發光,再匯集到同一個影像上來實現更清晰的成像。莫納199598年間在加州大學聖迭戈分校擔任教授時,曾向後來在2008年獲諾貝爾化學獎的華裔科學家錢永健「取經」。2006年,貝齊格第一次應用了這種方法。因此,這項成果和STED顯微技術同獲今年諾貝爾化學獎。

最近幾年,熒光顯微技術已相當成熟,科學界廣泛地運用超解析度熒光顯微鏡,一一檢視過去光學顯微鏡所看不到的東西,衍生出許多新的發現,拆解生命奧秘。例如科學家可深入了解細胞內的運作,理解病理成因。黑爾就曾觀測活的神經細胞,以了解腦部運作;莫納研究細胞蛋白與無法控制四肢的「亨廷頓舞蹈症」的關係;貝齊格則追蹤胚胎的細胞分裂過程。

 

隨著化學獎揭盅,4名本被看好的華裔科學家均與獎項無緣,包括港產「OLED之父」鄧青雲。

香港《文匯報》報導,今屆諾貝爾化學獎3名得主研發超高分辨率熒光顯微技術,成功突破傳統光學顯微鏡限制。香港中文大學細胞及發育生物學研究中心主任姜里文教授表示,以往觀察小於0.2微米的微生物時,只能使用電子顯微鏡,但仍無法觀測活的細胞活動,熒光顯微技術的出現令這變得可能,例如觀察病毒入侵細胞的微細過程等,對於了解疾病成因很有幫助。

姜里文指,電子顯微鏡體積巨大,而且無法觀察活細胞活動,但熒光顯微鏡與一般光學顯微鏡大小差不多。他表示,中大理學院也有引入熒光顯微鏡,一台成本約500萬港元左右。

 

化學獎得獎者之一的黑爾表示,諾貝爾委員會來電時正在查核一份科學論文,最初以為是惡作劇電話,之後才知是真的。他形容得獎完全出乎意料,但沒有過分激動,聽完電話後繼續看論文,看完後才打電話給妻子和幾位親友通知喜訊。他又笑說要反鎖在房中,避開蜂擁而至的採訪要求和連環電話轟炸。

黑爾稱雖然研究最初遇到學界極力反對,「不過物理學在20世紀取得這麼多進步,我肯定一定有些東西,可帶領我們突破障礙」。

 

正身處德國慕尼黑準備授課的貝齊格則表示,對得獎感到非常震驚,「我過去1小時在慕尼黑的美好天氣下漫無目的地遊走,感到人生迎來重大轉變。」

 

正在巴西出席會議的莫爾納爾稱,起初認為自己有可能得獎,但並沒太大期望,形容喜訊令他心跳加速。

 

黑爾Stefan W. Hell51

出生地:羅馬尼亞

背景:現為德國公民,1990年在德國海德堡大學畢業。現任德國馬克斯普朗克生物物理化學研究所所長、海德堡德國癌症研究中心部門主管。

 

貝齊格Eric Betzig54

出生地:美國密歇根州

背景:1988年在美國康奈爾大學畢業。現任美國霍華德休斯醫學研究所JFRC小組組長。

 

莫爾納爾(莫納)William E. Moerner61

出生地:美國加州

背景:1982年在美國康奈爾大學畢業。現任美國史丹福大學化學講座教授、應用物理學禮任教授。

 

資料來源:香港文匯報

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