新款顯微鏡能直接查看原子水平線粒體與核糖體
發布人：shpuda發布時間：2014/4/22
偏光顯微鏡(microscope)作為一種借助物理方法產生物體放大影像的儀器用于科學研究，至今已經有數百年歷史，而且已經成為一種極為重要的科學儀器， 廣泛地用于生物學、化學、物理學、冶金學、釀造等各種科研活動，對人類的發展做出了巨大而卓越的貢獻。
據美國2014年3月28日報道，科學家已經研究出新型電子偏光顯微鏡，該顯微鏡能夠觀察到接近原子水平的線粒體核糖體(mitochondrial ribosome)的結構(見下圖)，這種顯微鏡發展史上具有里程碑意義的研究成果，對于結構生物學研究而言，無疑在技術支撐方面帶來了革命性的新變化。下圖是酵母線粒體核糖體的結構圖示，與細菌核糖體(藍色)和哺乳動物線粒體核糖體(紅色)有類似的一些特性，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
偏光顯微鏡發展歷史
盡管關于顯微鏡的發展歷史，甚至可以追溯到16世紀晚期，當時復式顯微鏡就已經問世。如1595年，荷蘭的著名磨鏡師詹森(Zacharias Janssen， born 1585 - died pre-1632)發明了第一個簡陋的復式顯微鏡。這種顯微鏡是由3個鏡筒連接而成。當該顯微鏡的2個活動鏡筒完全收攏時，它的放大倍數是3倍;當2個活動鏡筒完全伸出時，它的放大倍數是10倍，其實這也是最早的變焦鏡頭。
復式偏光顯微鏡在性能上明顯優于單式顯微鏡(即只有一個透鏡的顯微鏡)，首先是它可以把幾個放大倍數較小的凸透鏡組合起來獲得很高的放大率;其次是制造工藝較簡單，不必磨制一個個極小的透鏡。復式顯微鏡的發明，是科學史上的里程碑，人類從此開始認識微觀世界變得更加容易。不過，由于技術條件不成熟，16世紀的顯微鏡放大倍數都不高，因此在16世紀，人類在探索微觀世界方面并沒有什么激動人心的發現。但是到了17世紀，單式偏光顯微鏡的發展與其說是科學儀器，不如說是藝術品。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展的頂峰。
列文?虎克是一位荷蘭科學家，他在1677年用自制的高倍放大鏡觀察池塘水中的原生動物、蛙腸內的原生動物、人類和哺乳類動物的精子;后又在鮭魚的血液中看到紅細胞的核。1683年，他又在牙垢中看到了細菌。他把觀察的現象報告給英國皇家學會，得到英國皇家學會的肯定。
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量，但他在掌握了高水平的磨制透鏡技術后，進而利用透鏡組裝成偏光顯微鏡，并利用自制的顯微鏡發現了前人未曾見到過的一些活細胞，這些成就是十分難能可貴的。他一生親自磨制了550個透鏡，裝配了247架顯微鏡，為人類創造了一批寶貴的財富，至今保留下來的有9架，現存于荷蘭尤特萊克特大學博物館(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，這個水平是很高的，直到19世紀初所制的顯微鏡還未超過這一水平。因此，我們不能忽視他對細胞生物學的發展所做貢獻的重要性，賦予他原生動物之父本身就是對其貢獻的一種肯定。
雖然說列文?虎克一生制造了數百個偏光顯微鏡，它們的共同特點都是非常小，而且設計和功能也相似，這不能不說也是其一大缺陷。盡管如此，他的顯微鏡對于細胞生物學的研究，真正觀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，還有意大利物理學家、數學家、天文學家及哲學家伽利略((Galileo Galilei， 1564-1642)和英國博物學家、發明家羅伯特?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察所得寫成《顯微術》一書;cell(細胞)一詞就是由他命名的，中文翻譯后稱為細胞。
19世紀和20世紀初期，顯微鏡的研究已經取得了長足發展，先后出現了帶自動照相機的光學顯微鏡、裝有場發射槍的掃描電子顯微鏡、超高壓透射電子顯微鏡等。電子顯微鏡技術的開拓者之一恩斯特?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，是德國東方學家、科學歷史學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后，1925年起在慕尼黑工業大學學習電子學，1927年轉到柏林工業大學，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放大鏡，實現了電子顯微鏡的技術原理，基于磁場會因電子帶電而偏移的現象，使得通過鏡頭的電子射線能夠像光線一樣被聚焦，當時被稱為“超顯微鏡”。因為電子的波長遠小于光線的波長，因此電子顯微鏡的分辨率明顯優于光學顯微鏡。
1933年恩斯特?魯斯卡完成論文《關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化開發不是大學研究所的任務，研究所的儀器也無法達到這個要求，恩斯特? 魯斯卡開始在電子光學的工業界尋求新的發展。
他于1933～1937年在柏林電視機股份公司(Berliner Fernseh AG)的研發部門工作，負責電視機接收發送管和帶二級放大器的光電池的開發。在此期間，他同博多?馮?博里斯(Bodo von Borries)開始試探性地開發高分辨率的電子顯微鏡。1936年底1937年初，他們在西門子公司的電子顯微鏡工業研發工作實現了這一目標，在柏林設立了電子顯微鏡實驗室，并于1939年研發出了第一臺能夠批量生產的“西門子-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獎。他們設計制造的電子顯微鏡，其性能遠遠超過了光學顯微鏡。后來經過人們的努力，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倍以上。例如穿透式電子顯微鏡可放大80萬倍，可以看出分子的形象;掃描式電子顯微鏡可用以觀察立體的表面，放大倍率約20萬倍。
電子顯微鏡分為透射電子偏光顯微鏡、能量過濾透過式電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、場發射掃描電子顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡等類型。從20 世紀50年代開始，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，電子顯微鏡的出現大大推動了人類的科學研究，特別是新興的數碼成像技術更是把顯微攝影技術推向了一個新高峰，使顯微科學與數字技術的發展牢固地結合起來，為人類的科學發展做出了重大貢獻。
低溫電子顯微鏡重振結構生物學領域研究
低溫電子偏光顯微鏡(cryo-EM)雖然是結構生物學研究中的重要工具，但其潛力還未充分發揮出來。近期的技術進步大大提高了cryo-EM的分辨率，正在重振這一領域。在單粒子cryo-EM實驗中，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。單個集合體的數千至數百萬幅圖像必須經過計算機比對和合并，以獲得一個三維結構。
與X射線晶體衍射相比，cryo-EM的一個明顯優勢就是不需要結晶，這大大拓寬了其研究領域，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得到，但分辨率不是很高。
而最近英國分子生物學MRC實驗室(MRC Laboratory of Molecular Biology)的科學家，他們使用單個粒子降臨的cryo-EM研究酵母線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近乎完整的三維構型圖像，其包括了39種蛋白質，其中有13中蛋白質是線粒體獨有的，而且還有擴張的線粒體多糖體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展史上具有里程碑意義。
這種核糖體在真核線粒體(eukaryotic mitochondria)中發現。它不同于酵母細胞質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年諾貝爾化學獎得主萬卡特拉曼?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)曾經得到了核糖體三維X-射線晶體結構。新的分辨率在0.32nm的線粒體核糖體結構是由萬卡特拉曼?萊馬克里斯南等人合作完成。
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