2008年神圣的奥运会比赛在伟大的中国举行,著名的歌手刘欢和莎拉布莱曼在开幕式演唱了该届奥运会开幕式主题曲"我和你"世界真细小。我和你,心连心,同住地球村。世界各地的人都相约北京,展望未来。世界就是一个村落,把人,物,大自然紧密的联系在在一起,构成了一个世界,同一个世界同一个梦想……
随着时间的流逝和科技的发展世界真细小,我们的生活越来越好,国民生活也普遍提高。科技改变未来,也改变了我们的生活。科技让我们的生活紧紧的联系在一起,随着科技的发展,网络也日渐完善,之前谁都没有想到用手机隔了十万八千里也可以面对面的说话,谁也想不到世界各地的新闻都可以通过手机一手掌握,谁也没有想到足不出门就可以知天下事……
以眼看世界,世界是很小的;以心看世界,世界是很大的世界真细小,用你的知识去改变你对世界的看法,你将会觉得世界真小。
当然有,但不是用眼睛看,而是用电子打世界真细小。
狭义的显微镜指的是那种用眼睛看的光学仪器世界真细小,也是我们普通人提起显微镜指代的对象。光学显微镜历史悠久,由荷兰人列文虎克发扬光大,他观察并记录了大量微观世界的动植物,震惊了那个时代,也是人类初次接触微观世界。
此后,随着工艺水平的提高,光学显微镜的放大倍数也不断增大,从最早的几十倍上百倍,到接近工艺极限的1000多倍,每一次提升都会让我们发现新的一片天地。但光学显微镜的极限也就到此为止了,它的极限是2000倍左右,是很难看到更微观的生物大分子的,例如蛋白质这类。
原因要从物理学层面解释,生物大分子的尺度一般在1-100纳米之间,而可见光的波长范围却在380-780纳米之间,这意味着可见光的波很容易绕过生物大分子,造成的结果就是看不到或者分辨率极差一片模糊,因此换算过来光学显微镜的极限约是0.2微米。
想要看到更微小的物质就必须用波长更小的媒介替换可见光,常见的是电子显微镜,用电子作为信号源事情就变得明朗多了,电子的波长能达到0.1纳米左右,接近原子的尺度。但对于生物学家来说新的问题又出现了。
电子显微镜要求在真空的状态下运行,可很多生物大分子都只能以水溶液的形式稳定存在,真空的状态下很难保证这些样品维持原来状态。
以至于电子显微镜最先在材料领域大放异彩,直到2017年的三位诺奖得主创造了一种新的冷冻电子显微技术。结构生物学的兴起离不开高分辨率高精度电子显微镜的发展。
电子显微镜早年在生物学领域的应用明显滞后,原因就在于许多生物分子样品需要以水溶液的形式才能稳定,而电子显微镜则必须在真空环境下才能工作。
而先前的解决方法,例如重金属负染技术,都会导致样品的分辨率降低。
图:采用负染技术制作的显微图像
雅克·杜波切、约阿希姆·弗兰克、理查德·亨德森三位科学家找到了解决办法——冷冻电子显微镜。
三人对冷冻电镜的基本理论、重构算法和实验方面分别做出了卓越的贡献。
杜波切成功实现水的玻璃化——迅速将水冷却,让其先以液体状态将生物样本包裹,之后立刻变成固体,从而使得生物分子在真空管中仍能保持其自然形态。
图:采用冷冻电镜技术制作的高精度显微图像
弗兰克则让该项技术获得广泛应用。他开发出一种图像处理技术,能够分析电子显微镜生成的模糊2D图像,并将其合并,最终生成清晰的3D结构。
最终的突破由亨德森完成,他在1990年成功利用一台电子显微镜生成了一种蛋白质的3D图像,图像分辨率达到原子水平。
图:冷冻电镜下的蛋白质与寨卡病毒
冷冻电镜技术给结构生物学带来了新的突破,让生物学家们可以从更加高效地研究生物分子的奥秘,将生物化学带入了一个新时代。
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