他是一位中國女婿，2014 年諾貝爾化學(xué)獎得主，獲獎理由是實(shí)現(xiàn)了單分子水平的超高分辨率熒光顯微技術(shù)。如今他再修顯微神技，可以 3D 方式看清楚細(xì)胞內(nèi)每個細(xì)節(jié)。
他就是美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）珍妮莉亞研究園區(qū)的埃里克·本茨格（Eric Betzig）教授。這項(xiàng)研究于北京時間 2020 年 1 月 17 日發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志（Science）封面上。通訊作者是本茨格和同事哈拉爾德·赫斯（Harald F. Hess）博士，他們是老搭檔。
本茨格在接受 DeepTech 專訪時表示，雖然這項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段，但他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的現(xiàn)象?！斑@些現(xiàn)象暗示了我們目前對細(xì)胞的描述是帶有偏見的，這些發(fā)現(xiàn)可能會對腫瘤學(xué)、免疫學(xué)和發(fā)育生物學(xué)產(chǎn)生重大影響。”
這項(xiàng)技術(shù)被稱為 cryo-SR/EM，意即融合了超分辨率的光學(xué)顯微鏡技術(shù)和電子顯微鏡技術(shù)，最終以 3D 形式呈現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)部清晰的細(xì)節(jié)。
通過這種新的顯微技術(shù)，你可以看到細(xì)胞內(nèi)部真實(shí)且繁雜忙碌的世界，以及蛋白質(zhì)與細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系?？梢赃@么說，如果說摘得諾獎是登頂，那么這次，埃里克·本茨格接近封神了。
圖 | 新技術(shù)融合了超分辨率的光學(xué)顯微鏡技術(shù)和電子顯微鏡技術(shù)，最終以 3D 形式呈現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)部清晰的細(xì)節(jié)。（來源：《科學(xué)》）
圖 | 哺乳動物小腦顆粒神經(jīng)元的半透明彩色核。（來源：《科學(xué)》）
顯微技術(shù)在今天有很多選擇，但都不完美：要么觀察的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不完整，要么無法應(yīng)用熒光，要么分辨率不夠，要么視野太小。
依靠熒光分子標(biāo)記，光學(xué)顯微鏡下就可以輕松識別特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而超分辨率的熒光顯微鏡提升了清晰度。然而細(xì)胞中有上萬種蛋白質(zhì)，熒光標(biāo)記只能在有限時間內(nèi)分辨?zhèn)€位數(shù)的蛋白質(zhì)，這就讓人們難以理解標(biāo)記蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)的關(guān)系。
另一方面，高分辨率的電子顯微鏡可以顯示細(xì)胞中所有結(jié)構(gòu)，但在異常擁擠的細(xì)胞內(nèi)部，比如染色質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，僅僅依靠電子顯微鏡的灰階成像難以區(qū)分所有的細(xì)節(jié)，難以鑒定蛋白質(zhì)的分布。此外，電子顯微鏡技術(shù)需要對樣品進(jìn)行切片、脫水、固定、鍍金等操作，這會破壞細(xì)胞活性甚至改變其結(jié)構(gòu)。
既然都不完美，那么科學(xué)家設(shè)想，將這兩種技術(shù)結(jié)合起來是不是可以得到更好結(jié)果呢？
本茨格和赫斯是這么做的：
第一步，將細(xì)胞高壓冷凍。這會在數(shù)毫秒內(nèi)迅速讓細(xì)胞內(nèi)部活動停止，還能防止損壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)冰晶的產(chǎn)生，那么數(shù)據(jù)會更加保真。
接下來，把樣品放置到不到絕對零度以上 10 度的低溫中，用超分辨率的熒光顯微鏡進(jìn)行 3D 成像。
第三步，將樣品用樹脂包埋，在赫斯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的超級電子顯微鏡中成像。這個電子顯微鏡會向細(xì)胞表面發(fā)射一束離子，每拍攝一次就會研磨掉一層樣品。之后計算機(jī)會將這些圖像拼接進(jìn)行 3D 圖像重建。
最后，將兩種方式獲得的 3D 圖像疊加，令人震撼的細(xì)胞內(nèi)部就呈現(xiàn)出來了。
圖 | 全細(xì)胞的關(guān)聯(lián)成像。自左上方順時針分別為：線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白正交排列的立體渲染圖；形態(tài)各異的溶酶體囊狀結(jié)構(gòu)；有轉(zhuǎn)錄活性的報告蛋白決定了異染色質(zhì)亞域；與接觸小腦顆粒神經(jīng)元的膜粗糙度相關(guān)的粘附蛋白；過氧化物酶體（粉紅色）與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（紅色）和線粒體（青色）。（來源：《科學(xué)》）
新顯微技術(shù)可以看清楚電子顯微鏡中難以辨別的部分，如特別長且錯綜復(fù)雜的內(nèi)體，并且可以區(qū)分溶酶體、過氧化物酶體和線粒體來源的囊泡。比如：
染色質(zhì)：神經(jīng)元的細(xì)胞核在成熟前后有顯著不同。DNA 會重新包裝，開啟新的一組基因。這些變化會在細(xì)胞內(nèi)部的灰色斑點(diǎn)和彩色熒光兩種模式中體現(xiàn)出來。
神經(jīng)黏連：類似瑞士奶酪的黏連會將新生神經(jīng)元遷移到神經(jīng)系統(tǒng)的正確位置。
內(nèi)體：可幫助細(xì)胞存儲蛋白質(zhì)，分解胞內(nèi)垃圾以及運(yùn)輸物質(zhì)。但電子顯微鏡照片無法區(qū)分那么多囊泡。
研究人員說，該技術(shù)的本質(zhì)是在聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）的冷凍固定和冷凍替代/染色兩步驟之間插了一個步驟，即低溫超分辨率（cryo-SR）成像。這就同時具備了基于樹脂包埋的熒光顯示、重金屬染色和超微結(jié)構(gòu)顯示，可謂一箭多雕。
中科院遺傳與發(fā)育研究所生物學(xué)研究中心高級工程師姜韜如此評價：
“其技術(shù)的本質(zhì)相當(dāng)于，我們原來用閃光燈照相可以拍照出黑夜里的灌木叢，或者用微光相機(jī)拍照出黑夜里的螢火蟲，但我們不能實(shí)現(xiàn)兩者兼得，現(xiàn)在本茨格團(tuán)隊可以用一個裝置一次性拍攝清晰的灌木叢及其中的螢火蟲，并重構(gòu)出它們實(shí)時關(guān)系的 3D 圖像?！?/p>
北京大學(xué)工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系席鵬研究員從事超高分辨光學(xué)活體顯微技術(shù)研究，他評價說：
“這一研究將關(guān)聯(lián)成像推到了一個前所未有的高度。熒光成像能夠進(jìn)行特異性標(biāo)記（看得準(zhǔn)），但是分辨率受限；電鏡能夠得到非常高的分辨率（看得清），但是缺乏特異性。這一工作將兩者結(jié)合起來，能夠相得益彰。
這樣的嘗試以前并不是沒有人想到過，但是其技術(shù)難度非常大，例如在進(jìn)行光學(xué)成像時，激光會加熱樣品，帶來細(xì)胞內(nèi)部的重結(jié)晶，這會對電鏡成像形成巨大干擾；而在電鏡冷凍條件下，超分辨所需要的一些熒光開關(guān)特性會發(fā)生變化，也會影響熒光成像。本工作系統(tǒng)性地突破了諸多技術(shù)障礙，提供了一套完整可行的光電聯(lián)用顯微技術(shù)?！?/p>
其實(shí)早在 2018 年的聚焦顯微學(xué)術(shù)研討會（FOM）上，赫斯博士就講述了這一工作的部分進(jìn)展。這也是他們兩位科學(xué)家深厚友誼的另一個見證：赫斯教授是掃描電子顯微鏡的專家，而本茨格則是超分辨的鼻祖。本茨格 2006 年發(fā)表在《科學(xué)》上的開創(chuàng)性工作，就是與赫斯一起完成的。
那么該技術(shù)對于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究有何推動意義？本茨格向 DeepTech 表示，雖然這個技術(shù)還處于起步階段，但他們已有的研究發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的現(xiàn)象?！斑@些現(xiàn)象暗示了我們目前對細(xì)胞的描述是帶有偏見的，這些發(fā)現(xiàn)可能會對腫瘤學(xué)、免疫學(xué)和發(fā)育生物學(xué)產(chǎn)生重大影響?！?/p>
這是因?yàn)?，?xì)胞是一個擁有數(shù)十億運(yùn)動分子的復(fù)雜機(jī)器，且可自我復(fù)制，而每種成像技術(shù)都是以不同方式進(jìn)行不完整的觀察?！澳敲次覀儗⑦@兩種截然不同的成像方式結(jié)合起來，就可以在納米尺度上洞悉細(xì)胞的完整結(jié)構(gòu)，這是任何一種單獨(dú)的方法無法實(shí)現(xiàn)的。”
至于醫(yī)學(xué)研究價值，本茨格認(rèn)為，現(xiàn)在說該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的直接應(yīng)用為時尚早，“但它可以提供一些可能用于醫(yī)學(xué)的基本見識”。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠神經(jīng)祖細(xì)胞分化為小腦顆粒細(xì)胞時，染色質(zhì)在細(xì)胞核中發(fā)生重排。過去，電子顯微鏡下的染色質(zhì)密度被用來指示細(xì)胞核內(nèi)區(qū)域的轉(zhuǎn)錄活性，即是否產(chǎn)生 RNA。“如今新的顯微技術(shù)可以對同一細(xì)胞核作出不一樣的判斷，即我們可以認(rèn)清干細(xì)胞分化時基因開關(guān)調(diào)控的細(xì)節(jié)?！?/p>
席鵬對其應(yīng)用價值評價說：
“這一技術(shù)為細(xì)胞生物學(xué)中的細(xì)胞器精細(xì)結(jié)構(gòu)及其相互作用、細(xì)胞間相互作用提供了新的技術(shù)手段。它能夠?qū)㈦婄R中許多看上去像是制樣引入的雜質(zhì)的噪點(diǎn)，以光學(xué)形式確定其身份，從而觀察到許多以往容易被忽略的精彩的生物學(xué)洞見，如過氧物酶體的多種構(gòu)型及與細(xì)胞器的互作、神經(jīng)細(xì)胞間粘附的精細(xì)結(jié)構(gòu)特異性等?！?/p>
圖 | 本茨格夫婦（左一和左二）在中國科技大學(xué)。（來源：中國科技大學(xué)）
本茨格出生于 1960 年，是美國發(fā)明家、應(yīng)用物理學(xué)家，1960 年出生于美國密歇根州，1988 年獲得美國康奈爾大學(xué)博士學(xué)位。他多年來致力于光學(xué)成像工具，尤其是突破光學(xué)衍射極限的超高分辨光學(xué)成像工具的開發(fā)。
除了 2014 年諾貝爾化學(xué)獎，他于 2015 年被評為美國科學(xué)院院士，并于同年獲得美國科學(xué)促進(jìn)會紐科姆·克利夫蘭獎。
他還是中國女婿。本茨格教授的夫人吉娜是中國科大 95 級化學(xué)物理系校友，郭沫若獎學(xué)金獲得者，獲加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位。現(xiàn)為美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮研究所研究組負(fù)責(zé)人，從事光學(xué)技術(shù)的開發(fā)及其在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用。
早年間本茨格在貝爾實(shí)驗(yàn)室與同事發(fā)明了近場掃描光學(xué)顯微技術(shù)，這是第一種超分辨率的光學(xué)顯微技術(shù)。不過他認(rèn)為近場光學(xué)有一些致命弱點(diǎn)導(dǎo)致無法廣泛應(yīng)用，隨后離開科研界，到父親位于密歇根的工廠去工作。
在父親工廠做技術(shù)開發(fā) 10 年后，本茨格決定重回科研界，續(xù)寫屬于自己的顯微故事。他聯(lián)系上老友、同在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的赫斯，在客廳里搭建了第一臺基于單分子定位的超分辨熒光顯微鏡的原型。本茨格正是憑借這一技術(shù)，獲得了 2014 年諾貝爾化學(xué)獎。
當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎授予發(fā)展超分辨率熒光顯微成像技術(shù)的 3 位科學(xué)家，他們分別是本茨格、德國馬克斯普朗克生物物理化學(xué)研究所教授斯蒂芬·黑爾（Stefan W. Hell）和美國斯坦福大學(xué)教授威廉姆·莫納爾（William E. Moerner）。
其中本茨格是熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，他突破了傳統(tǒng)顯微成像技術(shù)的物理極限值，實(shí)現(xiàn)了基于單分子信號得到超高分辨率成像。
他們最新的這篇論文也提到目前 cryo-SR/EM 研究的不足，一方面是要規(guī)?；M(jìn)行顯微操作有難度，因其數(shù)據(jù)量巨大，細(xì)胞器多樣性、空間密度、構(gòu)象復(fù)雜，以及結(jié)果單色，都決定了量化較難。不過他們同時指出，機(jī)器學(xué)習(xí)有望助力數(shù)據(jù)分析。
光聲成像專家、加州理工學(xué)院博士后李磊也認(rèn)為，如此精細(xì)的成像使得整個細(xì)胞產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)（可高達(dá) 20TB），如果能把機(jī)器學(xué)習(xí)或者人工智能引入到這項(xiàng)技術(shù)中，將真正釋放這項(xiàng)技術(shù)的全部潛力。他入選了 2019《麻省理工科技評論》中國區(qū)“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”。
對于顯微鏡技術(shù)的未來，本茨格說，這個領(lǐng)域最大的需求并非開發(fā)新的顯微鏡（盡管肯定會繼續(xù)），而是讓生物學(xué)家們掌握過去 15 年的顯微技術(shù)進(jìn)步，以及從 TB 級、PB 級顯微數(shù)據(jù)中利用計算工具提煉生物學(xué)結(jié)論。
