一鸣惊人贝齐格:超分辨荧光显微的诺奖旅程

　　1994年的秋天，埃里克·贝齐格深深地思考了自己的科研追求。他有一个很美妙的想法，能够打破当时的局限，在微小尺度下捕捉图像。不过为了抚养新出生的孩子，他放弃了贝尔试验优越的研究职位，从而也失去了推进自己研究的有利资源。

　　“我决定公布出我的想法，把它丢进科研圈里。” 贝齐格表示，“我觉得自己很可能到此为止了，将和科学不再有瓜葛。”

　　二十年后，凭借那篇论文，以及随后的一系列重要成就，贝齐格走上了2014年诺贝尔奖的颁奖台。

　　贝齐格在美国底特律一带长大。父亲曾在汽车制造业工作，贝齐格认为正是这种环境的影响使他对工程学着迷，进而迈进了加州理工的大门。他这样讲道：“加州理工带来的是浩如烟海的理论科学，我想本科期间是我人生中压力最大的一段岁月。”作为新生，贝齐格在第二年就参加了暑期大学生研究项目 (SURF)，和当时从事飞机不稳定性研究的航空学教授Garry Brown一起工作。“通过SURF我才突然发现，对于真正探索实验科学来说，我之前不过是在挠痒痒。”贝齐格讲。

　　贝齐格随后进入康奈尔大学，并首次接触到日后深深影响其科研生涯的显微镜学——即通过显微镜观测裸眼无法观察的小尺度事物的科学。

　　显微镜技术有很多种，比如X光显微镜，电子显微镜，扫描显微技术等，它们为微观世界提供了不同尺度的窗口。传统方法是光学显微镜，通过可见光穿过透镜，使研究人员得以观察微生物。不过这里有个问题，在微小尺度下，光学显微镜会遇到障碍，即物理学上所谓的Abbe衍射极限。也就是说，任何小于半个光波长度或者0.2微米的物体，都无法被显微镜识别。

　　贝齐格加入了康奈尔的研究组，希望在Abbe极限上有所突破。“捕捉活体细胞图像这样的事简直太诱人了，我必须加入其中。” 贝齐格开展了一系列实验，并在早期取得了显着成功。随后他加入贝尔实验室。1993年，已经能够跨越衍射极限，在室温条件下取得单个分子的图像。

　　然而不久之后，他决定放弃。“我很沮丧，”贝齐格说，“我们的实验方法遇到真正的物理学极限，科研经费也受到限制，而且从事这一领域研究的人已经太多了。我撞上了自己的极限。” 贝齐格开始把精力放到家庭上，在家发表了他的论文后，投身到私营企业当中。90年后期，他来到父亲的汽车供应公司工作，并设计出一系列实验性制造工具。“我是个优秀的工程师，但是个差劲的商人，”他开玩笑说，“我创造出一些很棒的工具，但并不能在汽车工业里施展拳脚。”

　　2003年，离开贝尔实验室后时隔十年，科学的呼唤终于冲破牢笼，贝齐格在自己家中搭建了实验室，拿起他尘封已久的科研，开始琢磨一些新想法。他重新和贝尔实验室的同事兼导师Harald Hess取得了联络。“Harald和我想去旅行，比如去约书亚树或者优胜美地国家公园，好好想想我们到底想做些什么。”在去佛罗里达拜访同事的时候，这两个人突然有了一个主意——能够联系起贝齐格1994年论文的主意。

Adaptive Optical Microscopy

　　那时候，贝齐格已经能够获取单个分子的图像，但技术仍有局限。“如果能够有一组分子，使它们的衍射极限斑点重叠，”贝齐格介绍，“我在1994年的想法是假如你有方法使它们各个区别开来——无论是什么——你都可以将它们分离。然后，你就可以定位它们的坐标了。”不过该如何标记出这些分子？当时贝齐格并没有答案。

　　时隔十年，贝齐格和Hess在佛罗里达学到了制造蛋白荧光的新技术。可以这样讲，研究人员现在能够锁定目标分子，使其“开关”自如——就像电灯开关一样。

　　贝齐格终于找到了他要的标签。只要每次对一小部分分子进行开关操作，他就能获得孤立分子的图像，尽管分辨率较低，但每个都单独地闪耀着。贝齐格说：“每个分子都好像一个模糊的灯泡。”不过这已经足够了，他能够借此确定分子中心，并以高精度确定每个分子的位置。贝齐格认识到，通过结合上千幅这样的小范围图像，他能够编织出一个能够突破Abbe极限，清晰显现出纳米尺度结构的超级图像。

　　“我们都吓到了，这看起来很显而易见也很简单，为什么没有人想出来？” 贝齐格回忆。

　　他们两人很快在Hess家里组建实验室，不到半年，就在Hess家客厅地板上做出了显微镜原型。他们将其称之为光催化定位显微镜 (photoactivated localization microscopy， PALM)，并于2006年在Science首先发表予以介绍。这距离他们就这一想法开始着手仅不到一年。

　　这一创造为这种新型显微镜带来了巨大的关注。2014年，贝齐格因此获得诺贝尔化学奖。同时获奖的还有为单分子显微镜研发做出突破性贡献的William E. Moerner和研究出使荧光分子发光方法的Stefan Hell。

　　时至今日，贝齐格依然在霍华德·休斯医学研究所珍利亚农场研究园区推动着显微镜成像技术的发展。自2005年以来，他一直在这里工作。

　　在获得诺贝尔奖后仅仅几周，贝齐格又在Science上展示了新的创造——点阵光学显微镜 (lattice light-sheet microscope)——能够在显微尺度下以惊人的分辨率制作三位图像视频。

Lattice Light Sheet Microscopy

　　“就像我以PALM为骄傲一样，我知道这件新工具是我的杰作，”贝齐格说，“我们终于有了一样工具，能够理解细胞的复杂性。”

　　贝齐格很希望其他科研人员能够在他创造的工具基础上，继续前进，不畏风险，坚持不懈，取得他们自己的发现。

　　“人们总是被鼓励要承担风险，这很好。”贝齐格在诺贝尔演讲的结尾说，“但如果你没在大部分时间都失败，那就不叫风险。对于所有那些以他们的财富、事业和声誉做赌注，但最后失败的人，请记住那种抗争本身就是回报，你会拥有那种满足，为了使这个世界更加美好，你已经付出了你的一切。”