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新款显微镜能直接查看原子水平线粒体与核糖体

发布人:shpuda发布时间:2014/4/22

   偏光显微镜(microscope)作为一种借助物理方法产生物体放大影像的仪器用于科学研究,至今已经有数百年历史,而且已经成为一种极为重要的科学仪器, 广泛地用于生物学、化学、物理学、冶金学、酿造等各种科研活动,对人类的发展做出了巨大而卓越的贡献。


  据美国2014年3月28日报道,科学家已经研究出新型电子偏光显微镜,该显微镜能够观察到接近原子水平的线粒体核糖体(mitochondrial ribosome)的结构(见下图),这种显微镜发展史上具有里程碑意义的研究成果,对于结构生物学研究而言,无疑在技术支撑方面带来了革命性的新变化。下图是酵母线粒体核糖体的结构图示,与细菌核糖体(蓝色)和哺乳动物线粒体核糖体(红色)有类似的一些特性,但是有些特征只有在酵母中存在(黄色)。


   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


  偏光显微镜发展历史


  尽管关于显微镜的发展历史,甚至可以追溯到16世纪晚期,当时复式显微镜就已经问世。如1595年,荷兰的著名磨镜师詹森(Zacharias Janssen, born 1585 - died pre-1632)发明了第一个简陋的复式显微镜。这种显微镜是由3个镜筒连接而成。当该显微镜的2个活动镜筒完全收拢时,它的放大倍数是3倍;当2个活动镜筒完全伸出时,它的放大倍数是10倍,其实这也是最早的变焦镜头。


  复式偏光显微镜在性能上明显优于单式显微镜(即只有一个透镜的显微镜),首先是它可以把几个放大倍数较小的凸透镜组合起来获得很高的放大率;其次是制造工艺较简单,不必磨制一个个极小的透镜。复式显微镜的发明,是科学史上的里程碑,人类从此开始认识微观世界变得更加容易。不过,由于技术条件不成熟,16世纪的显微镜放大倍数都不高,因此在16世纪,人类在探索微观世界方面并没有什么激动人心的发现。但是到了17世纪,单式偏光显微镜的发展与其说是科学仪器,不如说是艺术品。尽管如此,列文?虎克(Avon Leeuwenhoek, 1632-1723)的单式显微镜还是值得一提,它被认为是单式显微镜发展的顶峰。


  列文?虎克是一位荷兰科学家,他在1677年用自制的高倍放大镜观察池塘水中的原生动物、蛙肠内的原生动物、人类和哺乳类动物的精子;后又在鲑鱼的血液中看到红细胞的核。1683年,他又在牙垢中看到了细菌。他把观察的现象报告给英国皇家学会,得到英国皇家学会的肯定。


  列文?虎克出身于布商,他最初磨制透镜的目的是为了检验布的质量,但他在掌握了高水平的磨制透镜技术后,进而利用透镜组装成偏光显微镜,并利用自制的显微镜发现了前人未曾见到过的一些活细胞,这些成就是十分难能可贵的。他一生亲自磨制了550个透镜,装配了247架显微镜,为人类创造了一批宝贵的财富,至今保留下来的有9架,现存于荷兰尤特莱克特大学博物馆(University Museum of Utrecht)中的一架放大倍数为270倍,分辨力为1.4 μm。在当时,这个水平是很高的,直到19世纪初所制的显微镜还未超过这一水平。因此,大家不能忽视他对细胞生物学的发展所做贡献的重要性,赋予他原生动物之父本身就是对其贡献的一种肯定。


  虽然说列文?虎克一生制造了数百个偏光显微镜,它们的共同特点都是非常小,而且设计和功能也相似,这不能不说也是其一大缺陷。尽管如此,他的显微镜对于细胞生物学的研究,真正观察活细胞仍然具有里程碑意义。


  17 世纪制造和使用复式显微镜的除了列文?虎克之外,还有意大利物理学家、数学家、天文学家及哲学家伽利略((Galileo Galilei, 1564-1642)和英国博物学家、发明家罗伯特?胡克(Robert Hooke,1635-1703),他设计制造了真空泵、显微镜和望远镜,并将自己用显微镜观察所得写成《显微术》一书;cell(细胞)一词就是由他命名的,中文翻译后称为细胞。


  19世纪和20世纪初期,显微镜的研究已经取得了长足发展,先后出现了带自动照相机的光学显微镜、装有场发射枪的扫描电子显微镜、超高压透射电子显微镜等。电子显微镜技术的开拓者之一恩斯特?奥古斯特?弗里德里希?鲁斯卡(Ernst August Friedrich Ruska,1906-1988)特别值得一提。


  恩斯特?鲁斯卡生于海德堡,是德国东方学家、科学历史学家和教育家尤利乌斯?鲁斯卡(Julius Ruska)的儿子,恩斯特?鲁斯卡的弟弟赫尔穆特?鲁斯卡(Helmut Ruska)是一名医生,也是电子偏光显微镜的先驱之一。恩斯特?鲁斯卡在海德堡读完中学后,1925年起在慕尼黑工业大学学习电子学,1927年转到柏林工业大学,1931年4月7日,他和马克斯?克诺尔(Max Knoll)成功用磁性镜头制成第一台二级电子光学放大镜,实现了电子显微镜的技术原理,基于磁场会因电子带电而偏移的现象,使得通过镜头的电子射线能够像光线一样被聚焦,当时被称为“超显微镜”。因为电子的波长远小于光线的波长,因此电子显微镜的分辨率明显优于光学显微镜。


  1933年恩斯特?鲁斯卡完成论文《关于电子显微镜的磁性镜头》(über ein magnetisches Objektiv für das Elektronenmikroskop)并获得博士头衔。由于电子偏光显微镜的商业化开发不是大学研究所的任务,研究所的仪器也无法达到这个要求,恩斯特? 鲁斯卡开始在电子光学的工业界寻求新的发展。


  他于1933~1937年在柏林电视机股份企业(Berliner Fernseh AG)的研发部门工作,负责电视机接收发送管和带二级放大器的光电池的开发。在此期间,他同博多?冯?博里斯(Bodo von Borries)开始试探性地开发高分辨率的电子显微镜。1936年底1937年初,他们在西门子企业的电子显微镜工业研发工作实现了这一目标,在柏林设立了电子显微镜实验室,并于1939年研发出了第一台能够批量生产的“西门子-超显微镜”。


  恩斯特?鲁斯卡因为对电子显微镜研究的突出贡献,1986年获得诺贝尔物理学奖。他们设计制造的电子显微镜,其性能远远超过了光学显微镜。后来经过人们的努力,电子显微镜的分辨率由最初的500 nm提高到现在的0.1 nm;放大率已达到几十万倍以上。例如穿透式电子显微镜可放大80万倍,可以看出分子的形象;扫描式电子显微镜可用以观察立体的表面,放大倍率约20万倍。


  电子显微镜分为透射电子偏光显微镜、能量过滤透过式电子显微镜、扫描电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜等类型。从20 世纪50年代开始,研究者们应用电子显微镜相继取得了很多重要成就,可以说,电子显微镜的出现大大推动了人类的科学研究,特别是新兴的数码成像技术更是把显微摄影技术推向了一个新高峰,使显微科学与数字技术的发展牢固地结合起来,为人类的科学发展做出了重大贡献。


  低温电子显微镜重振结构生物学领域研究


  低温电子偏光显微镜(cryo-EM)虽然是结构生物学研究中的重要工具,但其潜力还未充分发挥出来。近期的技术进步大大提高了cryo-EM的分辨率,正在重振这一领域。在单粒子cryo-EM实验中,大分子集合体被冷冻在一层薄薄的冰中,并用电子显微镜成像。单个集合体的数千至数百万幅图像必须经过计算机比对和合并,以获得一个三维结构。


  与X射线晶体衍射相比,cryo-EM的一个明显优势就是不需要结晶,这大大拓宽了其研究领域,使生物大分子及其复合物的构象研究成为可能。运用这种方法,一些生物样品如病毒和大肠杆菌70S核糖体的三维重构图已经得到,但分辨率不是很高。


  而最近英国分子生物学MRC实验室(MRC Laboratory of Molecular Biology)的科学家,他们使用单个粒子降临的cryo-EM研究酵母线粒体核糖体大亚单元的结构,0.32 nm分辨率能够使其在接近原子水平给出一个近乎完整的三维构型图像,其包括了39种蛋白质,其中有13中蛋白质是线粒体独有的,而且还有扩张的线粒体多糖体RNA(mitoribosomal RNA)片段。得到如此庞大的(3 MD即3-megadalton)生物机器近原子水平的图像,既不需要蛋白质结晶,也不需要广泛净化,所以这种分析方法被认为在电子偏光显微镜发展史上具有里程碑意义。


  这种核糖体在真核线粒体(eukaryotic mitochondria)中发现。它不同于酵母细胞质中的核糖体和其他真核生物细胞中的核糖体,也不同于细菌核糖体。由2009年诺贝尔化学奖得主万卡特拉曼?莱马克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、托马斯?施泰茨(Thomas A. Steitz)和阿达?尤纳斯(Ada E. Yonath)曾经得到了核糖体三维X-射线晶体结构。新的分辨率在0.32nm的线粒体核糖体结构是由万卡特拉曼?莱马克里斯南等人合作完成。

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