掃描隧道顯微鏡——打開人體微觀世界的新鑰匙

人們盡管有了電鏡，但對微觀世界的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還有大量的難題迫切需要獲得更深層次的細(xì)微結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，因此對微觀世界的探索永無止境。電子工程師想設(shè)計出厚度僅為幾十個原子的電路圖；材料學(xué)家要考察晶體中原子尺度上的缺陷；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則迫切了解單個蛋白質(zhì)分子、單個DNA分子的結(jié)構(gòu)正常與否。在這種巨大驅(qū)動力的背景下，一種新的認(rèn)識微觀世界的工具誕生了。1985年由IBM公司的Binning和Kohrer研制出了一種新型顯微鏡－掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscopy,STM）。STM一問世就以其獨特的理論和應(yīng)用潛力引起了多學(xué)科的濃厚興趣，1986年獲諾貝爾物理獎，1987年開始廣泛應(yīng)用，1989年召開了第一屆國際STM會議。1990年我國也首次應(yīng)用STM觀察到了DNA鏈的螺旋結(jié)構(gòu)（在此之前DNA的結(jié)構(gòu)模式圖是由化學(xué)方法推倒出來的）。STM已經(jīng)無可非議地成為人們認(rèn)識微觀世界的又一次飛躍，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也必然帶來認(rèn)識到原子水平的新階段。

STM的基本原理是采用一根尖端磨得非常之細(xì)的鎢探針，可能只有一個原子的寬度（0.2nm），通過壓電控制裝置，是探針尖端在被檢測標(biāo)本的表面1－2nm范圍內(nèi)移動。由于探針與標(biāo)本緊貼，以致探針尖端上那顆原子的電子云與標(biāo)本表面上被測原子電子云發(fā)生重迭。這時在探針尖端加一個小電壓，電子流就會通過隧道效應(yīng)穿過尖端與標(biāo)本間的空隙，產(chǎn)生一股微小的隧道電流。由于任何標(biāo)本的表面都不可能完全平面，這是因為標(biāo)本表面的原子結(jié)構(gòu)所決定其具有一定的立體圖形。而隧道電流強(qiáng)度的大小主要取決于探針與標(biāo)本間距離的大小，如果距離增加0.1nm（即原子直徑的一半），隧道電流的強(qiáng)度則會降低90%。記錄這一隧道電流的變化，經(jīng)計算機(jī)處理，繪制成圖像，從而打開了多少年來人們夢寐以求的直接觀察原子結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

  STM一問世，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域就迅速應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)的觀察。目前應(yīng)用STM不僅可以描繪出氨基酸分子中碳、氫原子的關(guān)系，而且已經(jīng)直接觀察到DNA鏈螺旋結(jié)構(gòu)的圖像、堿基對的精細(xì)結(jié)構(gòu)、螺旋的直徑為2nm、在十個堿基對3-4nm長再一次螺旋重復(fù)等，這些激動人心的發(fā)現(xiàn)無疑對生命的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中迷�，F(xiàn)狀的澄清提供了必備的條件，隨之而來的必將是一場新的變革性的飛躍。又比如對IgG結(jié)構(gòu)的觀察，STM可直接顯示Y型外形，兩個Gab端和一個Fc端及鉸鏈區(qū)，Fab端長8-9nm、寬5-7nm、Fc端長12-14nm、寬6-7nm、在Fab及Fc端發(fā)現(xiàn)了小球形結(jié)構(gòu)，在種小球結(jié)構(gòu)可能正是抗體的功能區(qū)。這對揭示免疫反應(yīng)機(jī)理的實質(zhì)又提供了獨特的方便之門。還有對細(xì)胞膜、質(zhì)膜的觀察等都在一個個層出不窮的新發(fā)現(xiàn)之中。

雖然STM問世才短短5年，但其在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的巨大潛力已明示在我們的面前，對人體疾病的探索從肉眼觀察的水平到光學(xué)顯微鏡觀察的細(xì)胞水平再到電子顯微鏡觀察的超微結(jié)構(gòu)水平的發(fā)展程中，每一步前進(jìn)雖然都帶來過一次飛躍，但我們?nèi)祟惷媾R著疾病的威脅還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的征服水平。還有大量的臨床難題沒有解決，而這些難題的攻克遠(yuǎn)不是現(xiàn)有的認(rèn)識能力能夠達(dá)到的，還必需向更深一步的微觀世界進(jìn)行探索，因此，STM的廣泛應(yīng)用，使我們進(jìn)入到疾病的原子水平的認(rèn)識上，應(yīng)用這一把微觀世界的鑰匙，打開疾病中數(shù)不清奧妙大門的日子已經(jīng)離我們越來越近了。