高中生物科学家小故事电子显微镜专家罗伯特森

电子显微镜专家罗伯特森罗伯特森（J.DavidRobertson，1923-1995），美国生物学家和电子显微镜专家，“单位膜”概念的提出者。罗伯特森在阿拉巴马州塔斯卡卢萨市诞生和长大，是一名警察和一名小学老师的儿子，在蒙哥马利的州立高校接受教化。在他到医学院的第一年（1931年）时，正值其次次世界大战起先。罗伯特森加入了美国海军，并被派往哈佛高校完成医学院的学习。在获得医学博士学位并在波士顿的马洛里病理学探讨所接受简洁培训后，他回到阿拉巴马高校从事病理学工作，这份工作同时也作为了他的兵役服务。罗伯特森是美国细胞生物学学会的早期成员之一，该学会成立于1961年，两年后罗伯特森就加入了学会，并且是《细胞生物学杂志》（当时杂志被称为《生物物理和生物化学细胞学杂志》）的早期主要撰稿人，在其最初的七年里，共发表了七篇论文。战后，罗伯特森选择回到探讨生院，在麻省理工学院弗兰克-施密特（F.O.Schmitt）的杰出试验室学习电子显微镜（他是通过医学背景进入到电子显微镜领域的）。当时，麻省理工学院的施密特试验室探讨的焦点是如何将电子显微镜与其他新兴生物物理技术（包括偏振光显微镜和X射线衍射）相结合。这种结合使施密特和同事们能够阐明神经纤维四周髓鞘的分子结构。罗伯特森将电子显微镜应用于神经组织的早期胜利之一是证明白髓鞘事实上是围绕轴突的施旺细胞膜的螺旋形包袱（图1）。这是贝蒂-格伦（BettyGreen）首先提出的一个观点。（格伦博士也在施密特的试验室接受了博士生训练，时间与罗伯特森大致相同，她后来也成为了著名的电子显微镜专家）。图1罗伯特森对新生小鼠小轴突四周的髓鞘的一次视察结果（它以完备的横截面显示了内部和外部的“中轴”或施旺细胞膜与髓鞘本身的紧凑暗层的连接。这样的神经的图像明确地证明白贝蒂-格伦最初的想法，即髓鞘是一个紧凑的螺旋形包袱的膜，因此，髓鞘能够作为模型来理解一般的膜结构）罗伯特森在描述图1这样的图像时说：“我恒久不会遗忘当我用手动镜头检查这张显微照片并意识到它意味着什么时，我感到很兴奋。它所显示的正是贝蒂理论所预言的东西。”施密特试验室的这些杰出的早期成员工作的成果，表明白髓鞘的分子结构可以用来阐明一般细胞膜的基本结构。罗伯特森用图表对其进行了说明，如图2所示。图2罗伯特森制作的一个经典摘要图（该图即图1中箭头处看到的"中轴"。它显示了出现在最佳的KMnO4薄片上的各种明线和暗线，并显示了如何依据当时流行的关于髓鞘中蛋白质和脂质方向的观点来说明它们）罗伯特森在早期一系列杰出的超微结构论文中呈现出了他对理解膜结构的爱好，很快他提出了著名的“单元膜”假说。他于1957年在美国生理学会的会议上首次阐述了这一假说。“单元膜”假说认为，全部的细胞膜和细胞器膜等质膜都是由双分子磷脂层组成的，其表面吸附着单层蛋白质。为了支持这一理论，罗伯特森通过一种特别的组织制备方法来进行电子显微镜检查——KMnO4、丙酮脱水和环氧树脂包埋技术。这也是为什么全部生物膜在薄片上看起来像是一对黑线的缘由。这种“双膜”图像被他说明为来自于KMnO4染色的蛋白质单层，其两侧是未染色的中心“核心”，包括双分子的脂质层。他对这一说明的原始图示见图3。图3罗伯特森的原始“单元膜”模型图（模型显示磷脂的双层核心是一串深色的条状物，代表其酰基链；上面连接的球代表其头部基团；外面的三角波浪形图样代表吸附的蛋白质和糖类。）缺憾的是，尽管罗伯特森的细胞膜电子显微照片在当时是特别精彩的，但他们未能说明很多蛋白质能够穿透膜的缘由。而且由于他依据图像所阐释的观点意味着膜必定是静态的，无法说明蛋白质在膜内扩散的实力。随后，学界对这种膜动态的相识使乔纳森-辛格（JonathanSinger）在1972年提出了细胞膜的“流淌镶嵌模型”。这一新的模型至今仍是公认的范式，使罗伯特森的“单位膜”概念突然黯然失色。然而，罗伯特森理论的基本要素是特别重要的，仍旧与膜超微结构中仍未解决的问题相关。例如，罗伯特森认为质膜之间可能存在某种程度的膜连续性，无论是在细胞和内部细胞器之间，还是以及内部的细胞器之间（图4）。然而，这种观点在接下来的20年里渐渐被体外膜融合/分别事务的生化探讨结果所否定，以及随后用戊二醛和OsO4（更先进的氧化剂）对细胞和细胞器进行的电子显微镜视察，表明白膜细胞器是不连续的，通常通过穿梭小泡（囊泡）进行间接沟通。但最近，钟摆已经起先向罗伯特森的方向摇摆，这是由于如布雷非德菌素A（蛋白转运抑制剂）等药物的发展——这些药物在体外和体内都能阻挡囊泡穿梭而不中断膜交换。这类药物以及最近设计的某些蛋白突变，已被发觉在活细胞内产生显著程度的膜管和细胞器的连续性，令人戏剧性地想起罗伯特森的阐释。图4：罗伯特森的假想细胞图（图示说明白“细胞膜与各种细胞器的关系”。在与这幅图有关的原文中，罗伯特森说得更大胆，他提出："设想一个细胞内的'循环系统'在某些地方干脆与外部世界相连也不是没有道理的"。鉴于现在对胞吞和胞吐的了解，以及对细胞内膜运输的了解，人们认为膜的这种极端程度的连续性是不行能的。但罗伯特森的基本观点是，由于全部的细胞膜都是依据相同的结构原理构建的，它们有可能具有连续性）今日，这样的图表被认为是过时的和具有误导性的（以及完全没有相识到细胞骨架在确定活细胞中膜的构型方面的重要作用，因为细胞骨架根本没有被KMnO4作用，所以在显微镜图像中无法视察）。尽管如此，对图4的改编仍旧出现在很多生物学入门教科书和其他非专业论文中。罗伯特森对工作有着极大的热忱，并决心将他在电子显微镜下看到的东西的意义最大化。哈佛高校医学院院长、罗伯特森长期以来的私人挚友丹-托斯特森(DanTosteson)称罗伯特森是他所相识的“最有激情的科学家”。罗伯特森有一句话也体现了这一点，这句话是他早期对肌肉细胞中T型管的视察而产生的：“当我第一次看到这些结构时，当我意识到它们的意义时，每件事都在我的脑海中突然发生了改变，我产生了剧烈的兴奋（frisson），这种兴奋对一个科学家来说，当他做出真正的新的和重要的发觉时是特别罕见的”。（摘自他在《国际细胞学杂志》上的回忆文章，该杂志将“frisson”定义为一种短暂的心情激烈，一种颤抖或激烈）罗伯特森剧烈的学问热忱，加上他的个人魅力，使他的事业快速发展。他在伦敦高校学院J.Z.Young所带领的世界著名的解剖学系建立了一个杰出的电子显微镜探讨组，之后，罗伯特森回到哈佛医学院，建立了美国新一代电子显微镜应用试验室中技术最先进的一个探讨组。在那里，他领先发觉了电突触传递的结构基础——相邻膜通道的紧密贴合（即现在所称的“间隙连接”）（图5）。图5金鱼大脑中轴突与运动神经细胞之间的"棍端"所形成的电突触的超微结构（该图呈现了罗伯特森对后来被称为"间隙连接"的膜连接的最早视察结果）罗伯特森在30岁时揭开了髓鞘的面纱，在37岁时提出了单位膜的概念，在41岁时发觉了电突触传递的结构基础，确立了自己在该领域快速崛起的“明星”地位，在他42岁时，受聘前往杜克高校医学院担当解剖学系主任。在他余下的职业生涯中，他始终呆在那里，建立了一个兼具探讨深度和广度的部门，以至于当他在1988年退休时，不得不将其分为三个独立的部门，由三个负责人负责（神经生物学、细胞生物学和自然人类学）。在他担当杜克高校解剖学主席期间，罗伯特森接着在电子显微镜领域发挥着举足轻重的作用，他在开发新仪器和新制备方案感爱好的纯技术人员之间架起了桥梁，同时也为那些只想将电子显微镜应用于细胞生物学和病理生理学问题的各种医学人士供应支持。另外，罗伯特森本人也接着探究电子显微镜的最前沿学问，例如利用冷冻断裂和傅里叶分析等新兴技术在生物学探讨中的应用，进一步推动了人们对膜结构的理解。罗伯特森在杜克高校的一位员工迈克-里迪博士从个人角度描述了罗伯特森担当解剖学主席这一时期的良好工作氛围：“杜克高校的解剖学系在罗伯特森的主持下，享受着不同学者之间的非凡和谐。他讲故事的魅力是众所周知的，他的才华基于戏剧感和一闪而过的不同的幽默感”。他补充说：“在他们49年的婚姻生活中，戴维-罗伯特森和多迪-罗伯特森是一对密切无间、相互支持的夫妇。”他们因对同事的盛情款待，以及在那不勒斯、波士顿和杜克高校举办的精彩派对而著名，这些派对极大地润滑了科学的社会齿轮。1988年退休后，罗伯特森重新启动了他与J.Z.Young在伦敦起先的一项旧的合作，并在意大利那不勒斯的动物学站持续探讨了多年，他每年夏天都喜爱和家人去那里。这项合作涉及找寻章鱼大脑中学习和记忆的结构基础。罗伯特森觉认为这种神经可塑性基本上是由于突触的“生长”或突触接触区的扩展，他试图证明这种扩展是通过章鱼神经纤维内富含肌动蛋白"微钉"的诱导和延长而产生的。为了验证这一观点，他通过在章鱼的大脑上干脆运用细胞色素D等药物来阻挡章鱼学习，这是一种直到最终都让罗伯特森着迷的试验类型（不过最终未能取得突破性进展）。1995年8月11日罗伯特森因白血病在家中去世，享年72岁。直到去世前几周，他仍旧主动从事生物医学探讨，他的三个孩子也有着精彩的成就：卡伦，瓦萨高校的英语教授；伊丽莎白，科罗拉多高校的英语教授；以及小詹姆斯，马萨诸塞州剑桥的艺术家。正如其他宏大的电子显微镜先驱一样，罗伯特森培育了很多优秀的青年科学家，这些人后来在学术界或工业界发展了自己的杰出事业，有些人甚至成为这一代电子显微镜专家的主要成员。几乎全部接触过罗伯特森的人都公开地表达了他们对罗伯特森作为一个科学家和导师的巨大敬佩和深切爱戴。无论从个人的科学成就还是对科学后代的胜利培育来看，罗伯特森给电子显微镜领域留下的遗产都是深刻而源远流长的。参考文献[1]JDR.Theultrastructureofcellmembranesandtheirderivatives[C].Biochemicalsocietysymposium.1959,16:3-43.[2]RobertsonJD.Themembraneofthelivingcell[J].ScientificAmerican,1962,206(4):64-73.[3]RobertsonJD.Theoccurrenceofasubunitpattern