专栏 | 面壁十年图破壁——诺贝尔化学奖得主埃里克⋅贝齐格(Eric Betzig)博士的传奇故事

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专栏 | 面壁十年图破壁——诺贝尔化学奖得主埃里克⋅贝齐格(Eric Betzig)博士的传奇故事

埃里克⋅贝齐格博士

一位物理学家,因着为生物学研究发明了一件实验神器,获得了诺贝尔化学奖。这位横扫物理化学生物三大学科的跨界神扑手,就是2014年诺贝尔化学奖得主埃里克⋅贝齐格(Eric Betzig)博士。在海外华人学生学者的BBS网站上,因为发音相近和打字的方便,大家都戏称他为本子哥。本子哥本人坦承对于拿到诺贝尔化学奖,真是有点诚惶诚恐,他告诉儿子,当年读书时,他的化学成绩是最差的,因此,要称他为化学家,还真让他有点难为情。但是,本子哥发明的超分辨率显微镜像一盏神灯照亮了混沌不清的分子世界,让科学家能够在单分子水平上看清生命现象,无论是化学家,还是生物学家,都要感激他。而本子哥发明超分辨率显微镜背后的风风雨雨,更是一篇科学屌丝大逆反的传奇故事

本子哥1960年出生于密歇根州安娜堡,父亲在那里开有一家规模不小的汽车配件生产工厂。34岁以前的本子哥,求学和科研的道路可谓一路顺风顺水。高中毕业后顺利考入素有学霸集散地之称的加州理工学院学习物理学,要知道,加州理工的物理系,简直就是一个诺贝尔奖的摇篮,先后有14位该系毕业生和教授获此殊荣。本子哥四年苦读,换来一名荣誉毕业生身份。假期里,又到航空系去做研究助理,帮助研究喷气发动机的不稳定性问题。大学毕业后,横跨美洲大陆,本子哥来到康奈尔大学学习应用及工程物理,跟随麦克艾萨克森教授研究近场光学,在其博士论文研究中,第一次用近场光学的方法实现了超分辨显微。康奈尔的物理系,也不是吃素的,这里也曾走出十几位诺奖获得者(加上 2014 年与本子哥一起得奖的摩尔那教授和本子哥本人,已是15位)。在康奈尔拿到博士学位后,又进入贝尔实验室,继续近场光学在半导体和数据存储领域的应用研究。本子哥在贝尔实验室的六年岁月,虽然已不是贝尔实验室最辉煌的年代,但那里浓厚的研究氛围,同事中成群的大师,也让他受益匪浅,在那里他创造了好几项世界第一,包括采用近场磁光方法取得每平方厘米存储45Gb数据的当时世界最高纪录。

本子哥的研究领域,通俗地讲,就是要让人类的眼睛通过显微镜看到更微小的世界。然而,物理学家阿贝早在1873年就曾指出,通过光学显微镜看到的最小物质,即分辨率,不可能小于光线波长的一半,亦即0.2微米左右,这就是著名的阿贝衍射极限。而通常微观世界里的生命物质,如蛋白质、核酸和病毒分子等,都小于这个尺度,因此,用光学显微镜观察微观生命活体,就像航拍拍摄到一座城市的概貌,却无法看清城里的芸芸众生是如何生活的。本子哥一直在苦苦思索如何突破阿贝衍射极限,在一个寒冷冬日的散步中,他突然冒出一个念头:何不用几束不同颜色的光来照射不同的分子,并拍下不同颜色的照片;每张照片中,分子的距离大于阿贝极限,而不同颜色照片中的分子间距,则可以小于阿贝极限,然后把这些照片叠合在一起,不就可以得到总体小于阿贝极限的分辨率了吗?这种想法,理论上是完全可行的,但当时要实践起来却有很大困难。本子哥把这一想法写成一篇理论论文,发表在《光学通讯》杂志上。

受囤于显微技术无法进一步突破的囧境,再加上厌倦了主流学界对热门研究领域一拥而上的现实做法,怀着一种“独孤求败”的心情,本子哥于1995年毅然辞去了万人向往的贝尔实验室研究员工作职位,回到故乡,帮助父亲打理汽车配件厂。在这里,他的科学头脑也对工厂大有裨益,解决了机器部件生产流程中的一个关键问题。在金属部件的加工中,原来的流程需要多点移动几吨重的机床器械来进行切割,本子哥把这个流程改为移动切割部件到固定的机床上进行切割,从而大大减少了生产时耗。另外,他还要管理产品开发和营销,据他自己讲,他实在不是一个优秀的销售人才。因此,在安娜堡机械厂七年的时光里,当密歇根湖寒冷的北风吹过时,他心里那朵科学的火苗,还在隐隐地燃烧着:阿贝衍射极限一个魔咒,一直在心中呼唤着他,十年前的那个理论,现在有可能在实验室中实现了吗?

完全脱离科学界十年,要想杀一个回马枪,回来再做科学研究,实在不是一件容易的事情。在这十年里,科学进步可谓一日千里,例如绿色荧光蛋白的发现,就是细胞生物学领域里一个革命性的成果(因为这项工作,钱永健等获得了2008年的诺贝尔化学奖)。本子哥决定还是按他那种科学独行侠的方式来做研究,他在回朔这十年发表的科学论文时,读到绿色荧光蛋白这项工作,敏锐地感觉到这就是他在1995年那篇理论论文中苦苦寻找的可以分色照相的那束光,是破解阿贝极限的突破口。这个时候,他心潮澎湃,实在坐不住了,他不无感叹地说,自己也许是地球上最后一个刚刚知晓绿色荧光蛋白的人。在前后脚离开贝尔实验室的前同事赫斯博士的协助下,他们用不到两个月的时间里,加工配件,收集器材,在本子哥家的客厅里,变戏法般地搭起了世界上第一台超分辨率显微镜样机。

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作为一名物理学家,本子哥当时对生物学知之甚少,因此,他们又带着样机,来到华盛顿郊区的国立健康研究院,与那里的两位生物学研究员合作,拍摄到了世界上第一张溶菌体的高分辨率单分子影像。这个划时代的成果,很快于2006年发表在《科学》杂志上,立刻引起了学术界巨大的轰动。这一工作,为人类在分子层面上观察细胞的活动,打开了大门,使人类对生命现象的理解,产生了突飞猛进的提升。一项诺贝尔奖级别的工作就此诞生了!

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本子哥的一个华丽转身,携风狭雨地重新回归科学研究。2005年,他加盟休斯医学研究会HHMI下属的珍妮利亚研究中心,组建生物成像技术实验室。休斯医学研究会是美国航空大王休斯捐款组建的医学研究基金会,每年拨巨款分散资助全美顶级医学生物学研究人员从事基础研究。近年组建实体的珍妮利亚研究中心,旨在汇集全世界最优秀的年轻科学家,在一起进行生物医学前沿研究。在几位学界泰斗的保荐下,本子哥以一份十年未发表任何学术论文的残缺简历,能够入选珍妮利亚研究中心,也是学界一奇。在这里,他可以不必担心研究费,全身心地研究生物与物理学的交叉学科。也是在这里,他遇到了他的真爱,与华裔青年女科学家吉娜博士喜结连理。吉娜出生于安徽蚌埠,毕业于中国科技大学,在加州大学伯克利分校取得博士学位,也是一位优秀的生物物理学家。现在,他们夫妻二人,比翼齐飞,在生物成像和显微研究领域里大展鸿图。

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回顾自己科学屌丝大逆反的不凡经历,本子哥一再告诫年轻学子们:从事科学研究,不要尽挑一些时髦的热门课题做,也不要在已成熟的领域里投入太多的时间和精力,要敢于坚持自己的道路,不要怕别人说三道四最重要的是,要热爱自己做的事情,没有激情去做的事情是没有价值的。本子哥自己的经历,正是这些劝戒的最好写照。

2014年12月写于上海,

2015年1月修改于UA86航班上

备注:

  • 原文于2015年3月12日首发于《海归学人》

  • 参考文献:略

  • 图片来源:诺贝尔奖官网、Wikipedia,Ecole polytechnique Université Paris-Saclaypublic domains. All copyrights belong to the owners. Many thanks!

 

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黎健博士

药明康德国内新药研发服务部副总裁

黎健,北京大学化学学士(1982)及博士(1987),美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)博士后。加入制药工业界先后任职于美国德州生物技术公司(Encysive Pharmaceuticals)和美国强生医药公司(Johnson & Johnson Pharmaceutical R&D),在计算机辅助药物设计和新药研发方面具有20余年丰富经验,参加与领导多个项目的临床前发现与开发工作,在国际学术杂志上发表论文90余篇,申报新药专利170余项。2008年底回国加入药明康德,建设一体化新药研发平台,现任药明康德国内新药研发服务部副总裁、先导化合物研究国家重点实验室副主任、药明康德生命化学研究奖管理委员会秘书长。

黎健博士将应邀出席2019年7月12日、13日药时代主办的“靶点 新技术 新机遇 助力新跨越!——2019中国抗癌药高峰论坛”,并做嘉宾演讲,题目是“AI技术在新药研发中的应用”。热烈欢迎朋友们参加,与黎博当面切磋交流!

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