纪伟：追求显微镜的“微”之极限

 

5月中下旬，准备了3个多月的、关于高端科研仪器的香山科学会议圆满召开，参与会议筹备的纪伟回到研究所，又钻进了一栋位于角落的平房。这里以前是个锅炉房，由于防振条件较好，被改造成了精密光学仪器实验室，也是他最常待的地方。

纪伟是中国科学院生物物理研究所（以下简称生物物理所）研究员，曾是正高级工程师。通常，这两个职称的头衔不会一起出现一个人身上，但在纪伟身上，工程开发和基础研究兼而有之，二者和谐又统一。

近日，纪伟获得了第五届中国科学院“科苑名匠”称号。

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纪伟 受访者供图

从“慢半拍”到“快半拍”

2015年，当再一次与国际同行的竞争中错失了发表顶刊论文的机会，纪伟陷入了沉思。

从2010年博士毕业后留所工作，这样的场景已经多次出现，团队的数据刚整理出来、或是文章还在审稿中，国际同行的研究成果已经发表出来。这让他感到很憋屈。

纪伟自认为科研思路没问题，团队执行力也很强，多年来他们研制改造的科研仪器，不仅能够支撑生物物理所的研究需要，还能填补国内相关领域的空白。然而，一旦拿到国际舞台上去较量，总是慢半拍。

“一个重要原因是，我们仪器的关键核心部件需要进口，从有好的科学思路，到订购进口零件搭建仪器来实现，至少需要半年时间。而国外同行‘近水楼台’，省下了这个时间，总是领先我们半拍。”纪伟对《中国科学报》说。

因此，在工作初期的9年中，他只发了几篇 “小文章”，没有成果在“重量级”杂志发表。

“要想追上国际同行的速度，就要比他们多想一步、多做一步，争取‘快半拍’。”按照这个标准要求自己，纪伟需要付出更多的努力。此外，他主动出击，把国内生产的光电器件通过改进用于生物显微成像领域，比如通过跟苏州一家激光器厂家近10年的磨合，使其产品基本取代同类型进口激光器。通过这些努力，纪伟逐渐追回了那半拍。

17世纪时，荷兰科学家安东尼?菲利普斯?范?列文虎克用自制的显微镜，第一次观察到了单细胞生物，人类从此打开了微生物学的大门。但光学显微镜分辨率因受衍射限制，一直保持在几百纳米，没有突破。

直到300多年后的本世纪初，超分辨荧光显微镜被发明出来，获得了2014年的诺贝尔化学奖，使人们可以在几十纳米的尺度上观察亚细胞结构。不久后，冷冻电镜单颗粒技术又获得了2017年的诺贝尔化学奖，这两项技术让人们对生命科学的认识有了翻天覆地的变化。然而，这仍不能满足科学家日益增长的细胞原位生物分子观测的研究需要。

“做超分辨显微镜这类的高端仪器，对分辨率极限的追求是无止境的。我们生物物理所有个生物大分子国家重点实验室，这里的科研人员从事核酸、蛋白质等生物大分子的研究，这些生命活动的基本单元有着复杂精密的组装结构，对分子观察得越清楚，对生命奥秘了解的就越深刻。”纪伟说。

多年来，纪伟全身心扑到了对显微镜“微”之极限的追求中。

进一步突破光学显微镜分辨率

与电镜相比，光学显微镜的透视能力是其最大优势，如果能尽可能精细地获取细胞内的三维结构，便能进一步探究其生理病理机制。这不仅能够满足基础科研需要，也有助于临床医学的进步。

为了实现光学显微成像极限的突破和高端科研仪器的自主可控，十几年来，纪伟一直致力于单分子定位成像仪器技术研究。

在早期复制出获得诺奖的、分辨率为20纳米的单分子定位显微镜，填补了国内空白后，纪伟发现这个分辨率仍不能满足生命科学研究的需要。

“分辨率还能不能进一步提高？”纪伟常常这么问自己。

在中国科学院院士、生物物理所研究员徐涛的指导下，纪伟带领团队向更高分辨率的显微镜技术发起挑战。

在攻关的2年多时间里，纪伟等人面临的最大难题是单个荧光分子发光时间短，无法满足相机高速成像的要求。经过团队的反复讨论与实践，他们借鉴了爆炸物理实验中的高速摄影策略，创造性地设计了基于谐振振镜的干涉条纹快速切换成像光路。

“这相当于我们给显微镜装上了北斗导航精确定位系统，用几个干涉条纹像‘卫星’一样交叉定位荧光分子，得到高精度的细胞地图。”纪伟说。

2019年，这一干涉单分子定位显微镜的研发成果登上《自然·方法》，将基于宽场显微镜的XY方向成像分辨率提升至5纳米以内。后来，他们又将Z方向分辨率也提升至5纳米以内。

“在提高分辨率方面，我们可以说做到了极致追求、事无巨细。”纪伟说，团队经过多年努力，终于做到了国际领先，并围绕这些技术申请多项专利，取得了自主知识产权。

既是“工程师”，又是“研究员”

在追求光学显微镜极致分辨率的同时，纪伟带领科研团队双线并行，在冷冻电镜原位成像方面也取得了突破。

利用冷冻电镜在“原位”观察分子是近几年新兴的发展领域。这就像人类想了解野生动物，在其自然生存地进行观察，远比在动物园中观察到的更加真实、准确，但前者实现起来往往更加困难。

为了实现原位观察，人们发展了冷冻电子断层成像技术，但电子束只能透过约200纳米的生物样品成像，因此需要对细胞进行减薄处理。这相当于给冷冻电镜配一把锋利的“刀”，用这把刀可以从细胞中切出一张薄片，进而实现研究和观察。

可是，如何保证这把刀能精准切出含有目标分子的薄片呢？经过多年的实验研发，纪伟等也为这把刀装上了“导航系统”，即为冷冻荧光导航减薄技术。

“茫茫人海中，想找到一个特定的人很难，但如果这个人在夜晚举着火把，我们一下子就能找到他。同样，我们在细胞内部，想找到特定的分子、进行切片也很难，但如果让它发出荧光，就能轻松定位，实现精准切片。”纪伟解释说。

做出这项成果，纪伟又多了一项“代表作”。2010年博士毕业后至今，他见证着我国高端科研仪器研发从跟跑到并跑、再到部分领跑的过程，更是其中的重要参与者。

在此过程中的2020年，是纪伟“打破常规”的一年。

从这年起，这位正高级工程师的头衔换成了研究员、课题组长，从工程师成长为课题组长。这就意味着，他不仅能够作为研究所科研平台人员、为基础科研提供支撑作用，同时也可以成立课题组，带领团队进行高端科研仪器的自主研发和自由探索。

如今，纪伟带领团队正在对已有的显微镜系统进行工程化设计，努力将其打造成稳定易用的产品。

前不久的香山科学会议开完，让纪伟很是感慨，“与会专家都觉得高端科研仪器的研发到了一个关键节点上，今后需要我们一起努力，使产业生态和产业链越来越完善，真正实现我国科研仪器技术的自主可控。”