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單分子、單細胞螢光影像術–與化學大師莫爾諾一席談

莫爾諾是2014年諾貝爾化學獎3位得主中最早開始研發「單分子光譜學」的人,另兩位得主為貝齊格和赫爾則,三人的貢獻合而為一,為科學界帶來震撼性的突破。
 
 
 
莫爾諾(William E. Moerner)是2014年諾貝爾化學獎得主之一,其他二位是貝齊格(Eric Betzig)和赫爾(Stefan W. Hell)。他們的貢獻是研發「超解析度螢光顯微鏡」,打破傳統光學顯微鏡的物理障礙。

莫爾諾是3人中最早開始研發「單分子光譜學」的人,貝齊格和赫爾則各自找到不同突破途徑,三人的貢獻合而為一,為科學界帶來震撼性的突破。至今這影像術已經廣泛應用到奈米材料、生物樣品、細胞研究上,開啟了一代研究的新風潮。本文僅報導莫爾諾的研究生涯及突破的思考途徑。

小檔案

莫爾諾出生於美國加州的普萊森頓(Pleasanton)。1975年畢業於密蘇里州聖路易斯的華盛頓大學,獲得3個學士學位:物理、數學、電機工程,都以最高榮譽(summa cum laude) 畢業。1982年獲得康奈爾大學物理學博士學位,博士論文是應用紅外線探討固體的結構和物理特性。

1981年至1995年,他在IBM的研究中心擔任研究人員。1995年至1998年,在聖地牙哥加州大學化學系擔任特聘講席教授。1998年至今,在史丹福大學化學系擔任Harry S. Mosher 講座教授。莫爾諾獲得不少榮譽,除了2014年的諾貝爾化學獎外,他還得過以色列的沃爾夫(Wolf Prize)化學獎(2008年),2009年獲得美國化學學會的年度朗繆臬爾(Irving Langmuir)獎。2007年被選為美國國家科學院院士。

打破傳統 開創新天地

二百多年來,傳統光學顯微鏡的最大物理障礙是它的最高解析度不能超過所用光源波長的二分之一,也就是如果照射波長是500奈米(500 nm,綠色),最高解析度只能有250奈米(0.25微米,微米是奈米的一千倍),這是阿比顯微鏡的光線折射瓶頸限制(Abbe’s diffraction limit)。但經過近十年的努力嘗試,2014年得獎的3位科學家卻有了突破性的創新,利用不同途徑克服這障礙。

莫爾諾的方法是利用分子的螢光特性,也就是分子經過光(雷射)激發到高能階後會開始放光,有可能是螢光或磷光,這是量子物理現象。莫爾諾利用分子放螢光的濃度和特性來測量它的位置,再經過處理就可測量到奈米級的準確度。

這個方法可以用一個簡單的比喻來說明。一般的顯微鏡是測量靜「死」的東西,因此必須遵照傳統光線折射的原則,而螢光顯微鏡是先「控制放光分子濃度」,再「活化」這些「死」的東西,讓它們「說話」(放光)後再用顯微鏡分別測量這些稀釋後在不同時間與位置放光閃爍分子的形態變化,而後再連接起來就可「繪製」出整體的形態與位置。

另外從單分子光譜學測量到的光譜擴散度及光譜廣度,就能達成放光體的超級定位,因此單分子螢光顯微鏡不受阿比定律的限制。這個新方法可以測量到奈米的準確度,其解析度比一般顯微鏡高出一百多倍。

莫爾諾鑽研單分子光譜學有二十多年,他進一步把單分子光譜學的成果加入顯微鏡的功能,而能探測到單一分子的形態與位置,確實是突破性的創新。

爾後在聖地牙哥加州大學時與錢永健教授(Roger Y. Tsien,2008諾貝爾化學獎得主,中央研究院院士)合作,利用錢永健實驗室所研發出來的綠色和黃色螢光蛋白放置到生物分子的特定部位,莫爾諾就可以探測到許多生物分子準確的形態與位置,如小分子肽、大分子蛋白質等。後來又跟貝齊格合作探討單細胞的形態與位置,可以觀察活細胞到20~40奈米的解析度,如此就能準確追蹤細胞的變化,如腫瘤或癌細胞,這是生物醫學研究的一個大突破。

回母校之旅:爆滿的精彩演講

2015年11月4日,莫爾諾應邀回華盛頓大學母校做了二場專題演講,這演講是華芝曼的紀念講座(Samuel I. Weissman Memorial Lectures)。華芝曼是華大化學系的資深教授,美國國家科學院院士,去世後,華芝曼家族、同事、學生和朋友們捐款成立了紀念講座。莫爾諾的第一場是對外公開的科普演講,聽眾是一般學生及校外大眾,講題是「有趣用光和單分子開闢了一個驚人的細胞內的新觀點」(Fun with light and single molecules opens up an amazing new view inside cells)。

演講在化學系的大講堂舉行,演講前5分鐘,有360個座位的講堂就座無虛席。而後兩旁的走道和地板也坐滿聽眾,後到的人就只能站在講堂最後面的空間,可說是一場爆滿的演講。

莫爾諾用深入淺出的方式述說他得獎的幾個研究重點,探討25年來的精湛研究。先由固體物理的光譜學,到單分子螢光光譜學,進而開闢了一個新「超解析度」顯微鏡的領域,這牽涉到光學、量子力學、統計力學等,多年來單分子影像術已經普遍應用於奈米材料、生物醫學、藥物開發等領域。

想像一下,一個單分子就像是一個很微小的光源,只有1個奈米左右大。如果用傳統的顯微鏡去測量,看到的單分子圖像是模糊不清的。如今利用單分子螢光影像術,在不同時間與位置測量到1個奈米大的閃爍螢光(活化會說話的分子),不再是模糊的影像。再進一步就能觀察到細菌生物體的蛋白結構及活細胞的內容、形態與變化。

第二場演講比較專業性,講題是「單分子的故事—從早期固體光譜學到超級解析奈米顯微鏡在細胞上及更多的應用」(The story of single molecules, from early spectroscopy in solids, to super-resolution nanoscopy in cells and beyond)。演講內容與第一場類似,只是進一步詳細說明最近的研究成果與走向。

他的實驗室已經研發出光驅動控制的技術來控制測量的屬性,主動控制發光的濃度和單螢光團裝飾結構的順序及定位的組合,探討的範圍從蛋白質的內涵到細菌的生態,從澱粉狀蛋白纖維形態探討到阿茲海默氏症的細節。

目前他們正在開發生物體的三維影像術,以便了解生物體的形態變化及過程,例如使用三維精密追蹤,能觀察到酵母細胞核DNA位點的高速運動及相關性通過次階滲透(sub diffusion)運動的外觀形態,而能掌握到細胞、蛋白、基因與病變的關聯。另外應用三維精密螢光顯微鏡,他們能觀察到新月柄桿菌(Caulobacter crescentus)細胞內蛋白的超級結構及細胞表面的形像。

與大師一席談

莫爾諾除了演講外,華大還在11月7日的校慶日特別表揚他為傑出校友。筆者在莫爾諾演講外的多次場合有機會和他及其夫人會談,得悉一些他個人對科學的熱忱、家庭、學生的關懷和得諾貝爾後的生涯。在母校之旅後,筆者寫信提起想寫一篇他的研究工作的中文報導,他很快就寄來一些資料,並提起他和台灣學界的淵源,還附了一個台灣網址報導過他訪問中央研究院的事。

上網一查,找到中央社的報導。2014年11月11日,他曾應中央研究院李遠哲院長的邀請來台演講,莫爾諾的演講題目是「單分子的雙重功能:三維奈米顯微鏡之光源與溶液中多元運動之探討」,該演講吸引眾多學者、學子到場聆聽。中央社又說,他的研究領域相當廣泛,概括生物、化學、量子物理等領域,從單分子光譜學、超級解析奈米顯微鏡、奈米光學及材料、光譜孔洞補燒(spectral hole-burning)到生物物理等。

莫爾諾提起他是中央研究院原子分子科學研究所的諮詢顧問委員,2014年訪台是早已安排的諮詢年度會議,不好推辭,因為得獎後,他接到的邀請函無以數計,幾乎分身乏術。這次回母校也是勉強擠出來的,他實在感恩母校當年給他全額獎學金(Langsdorf Scholarship)。

筆者問他在華大時是否修過化學課,他說因為要修3個不同學系的必修課程,他沒有時間修化學課,他是用高中修過的高級化學(AP Chemistry)頂替了大一化學課。但是他提起明年輪到他教大一化學,他相信自己有能力自修而能勝任教化學課,他之前曾經教過研究生及高級班的物理化學課程。

他還提起雖然在大學時功課非常忙碌,但他在大三、大四時,在物理系米樂(Jim Miller)老師的實驗室做超音波專題研究。他的研究成果發表在相當有分量的應用物理期刊(J. Applied Physics, 45, 549, 1974),這些研究經驗打下他日後獨立研究的基礎,難怪他在演講時,一再鼓勵年輕學子一定要找時間做些專題研究。

他曾提起在諾貝爾頒獎晚宴上,與經濟獎得主梯若爾(Jean Tirole,法國人,63歲)同席。梯若爾說自從諾貝爾獎宣布的那天,他就不得安寧,二個月內就接到五百餘邀請函,他說如果每二個禮拜出去講一堂,在他有生之年大概都講不完。

我問莫爾諾是否也接到無法分身的邀請函,他說雖然沒有那麼多,但是為了應付這些邀請函,這半年來,他幾乎每個禮拜都在國外旅遊,真是馬不停蹄,尤其每次到歐洲經常要跑二、三個國家。到南美洲或亞洲也是如此,史丹福大學特別給他一個學期的休假,讓他可以應付這些演講邀請函。

深度閱讀
  1. Moerner, W. E.(2015)Nobel Lectures: Single-molecule spectroscopy, imaging, and photocontrol: Formulations for super-resolution microscopy. Reviews of Modern Physics, 87, 1183-1212.
  2. Moerner, W. E.(2002)A dozen years of single-molecule spectroscopy in physics, chemistry, and biophysics. J. Phys. Chem. B, 106, 910-927.
  3. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2014/moerner-facts.html
  4. http://web.stanford.edu/group/moerner/research.html
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