諾獎級特效藥開發就靠這個技術，沒有它，中國人青黴素都用不上？

作者：陸鵬（Lu Peng），Ph.D.

工作單位：東京大學，農學與生命科學研究科，應用生命化學專業

職稱：助理教授（Assistant Professor）

科學聲音科普寫作訓練營第三期營員

上篇文章我們聊到，勞倫斯·布拉格在破解 X 射線衍射圖的奧秘之後，開始與父親合作解析各種各樣的自然界晶體。儘管他們取得了眾多成果，但研究的發表也並非一帆風順。他們遭遇了怎樣的麻煩與挑戰呢？我們跟隨布拉格父子的腳步，為 X 射線晶體衍射的故事畫上一個完美的句號。

氯化鈉晶體之爭

當他們解析了氯化鈉晶體的結構之後，在投給《自然》期刊的論文中寫道：「在氯化鈉中，我們似乎並沒有找到氯化鈉分子。鈉原子和氯原子是以相等的數目，相同的距離交替排列著，就如同一個有規則的象棋棋盤。」[1]這一觀點遭到了化學家亨利·阿姆斯特朗（Henry Armstrong）的強烈反對。阿姆斯特朗一直認為氯化鈉由分子構成，在其分子中，氯原子和鈉原子應該是緊緊挨在一起的。

棋盤一樣的氯化鈉二維晶體結構（綠球：氯離子；紫球：鈉離子）[2]

為了說明他們間的分歧，我們不妨再次回到透明大樓裡士兵方陣那個例子。這次我們把鈉原子比喻成男士兵，氯原子比喻成女士兵。如果按照布拉格父子的實驗結果，那麼每個樓層方陣裡都是一位男士兵，一位女士兵交替站著。如果按照阿姆斯特朗的觀點，那麼每個樓層方陣裡的男女士兵都緊緊擁抱在一起站著。固執的阿姆斯特朗甚至在《自然》期刊上指名道姓地對布拉格父子的觀點進行了反駁，並且措辭異常激烈。他在論文中說：「真的是錯到哪裡去了都不知道！我不管 X 射線物理學是什麼，但是化學既不是西洋棋也不是幾何圖形……科學是追求真相，現在是時候讓化學家們來負責化學工作了，以免不知道的新手們被你們這些假權威所誤導：至少要教新手們更多的事實，而不是什麼象棋棋盤。」[3]

科學確實是追求真相，但是追求真相的方式歸根結底還是要擺事實，講證據。像阿姆斯特朗這種缺乏證據的觀點陳述，顯然起不到有效反駁的作用。事實上，證明氯化鈉不是分子的實驗證據並不只有布拉格父子的晶體結構。比如，純水不導電，但是氯化鈉水溶液是導電的，這說明氯化鈉在水中溶解後便電離出了鈉離子和氯離子，而不是以氯化鈉分子的形式存在[4]。再比如，相同摩爾濃度的氯化鈉溶液與蔗糖溶液相比，滲透壓幾乎提升了一倍。這充分說明氯化鈉溶液裡的粒子數量幾乎是蔗糖溶液的二倍[5]，而這種情況只可能是因為氯化鈉中的氯原子與鈉原子單獨存在。這些證據都充分顯示，布拉格父子的觀點沒有錯誤——氯化鈉中不存在分子。

向大分子物質進軍

在證明「氯化鈉不是分子」的同時，一個新的挑戰出現在了布拉格父子面前。那就是「大分子物質的晶體該如何解析？」

大分子物質與離子、原子最大的區別就在於：它有自己的形狀。它不再像之前的原子或離子晶體那樣，最小單位可以被近似地看作是一個點。解析原子或離子晶體的結構，由於最小單位是一個點，我們只要解出點與點之間的距離就夠了。而如果要解析大分子物質的晶體結構，就必須在解出分子間距離的同時，還要解出大分子的形狀。

這個概念也可以用那個透明大樓裡的士兵方陣來理解。其實把一個粒子直接比喻為一位士兵並不那麼準確。因為粒子有自己的形狀，它們並不一定是一個人形，長得像士兵。比如原子和離子，它們就是球形的，如果要比喻準確，那就只能把樓裡面所有的士兵都替換成球。這種情況比較簡單，不同的原子和離子間的差別無非就是球的大小不一樣。大一點的我們可以想像成籃球或足球，小一點的我們可以想像成高爾夫球或桌球。我們只要解出這些球與球的上下、左右、前後之間的距離，那麼整個晶體結構也就解開了。

但是分子不一樣，分子可不是一個簡單的球。如果是水分子的晶體，那我們就得把那棟樓裡的士兵都替換成一個個米老鼠的腦袋。如果是雙環己烷（bicyclohexyl）分子的晶體，那我們就得把那棟樓裡的士兵都替換成一輛輛自行車。就拿水分子來舉例，我們可以想像一下，如果我們只解出水分子與水分子上下、左右、前後之間的距離，卻沒有解出它的形狀是一個米老鼠的腦袋，那最終我們還是無法破解水分子的結構。顯然，要解析分子的形狀，僅僅依靠布拉格法則是不夠的。這時候，父親亨利·布拉格就表現出了他作為一名物理學家與數學家非凡的洞察力。在布拉格父子獲得諾獎的同一年，父親其實就已經開始思考解析大分子物質晶體結構的方法。

水分子結構（左）[6]；米老鼠頭（右）[7]

亨利·布拉格發現，X 射線的反射其實並不是晶體裡的分子、原子和離子造成的，而是分布在它們周圍的電子造成的。這些電子的分布，就如同套在這些粒子外面的一層皮，只要能知道這層皮的形狀（即電子密度圖），那麼這個大分子的形狀也就迎刃而解了。

經過一番計算後，亨利·布拉格發現大分子周圍的電子密度與 X 射線衍射圖上小黑點的顏色深淺有關，並且可以通過傅立葉變換將它們聯繫起來[8]。由於篇幅有限，我不在這裡深入介紹傅立葉變換的數學原理了。大家只要知道電子密度與衍射圖上的小黑點顏色的深淺度是互為傅立葉變換的關係就夠了。就像 2 的倒數是 1/2，而 1/2 的倒數是 2 一樣。任何一個非零的數和它的倒數都是互為倒數的關係。同樣，電子密度做傅立葉變換，就是小黑點顏色的深淺度。反過來小黑點顏色的深淺度做傅立葉變換，就能得到大分子的電子密度。有了理論基礎之後，兒子勞倫斯·布拉格利用父親的方法，於 1929 年計算並繪製了首個大分子晶體——透輝石（MgCaSi2O6）的二維電子密度圖[9]。

透輝石的手繪二維電子云密度圖[9]

生物化學家們的接力

英國化學家多蘿西·霍奇金（Dorothy Hodgkin）欣然接受了布拉格父子的理論。她和她的團隊利用布拉格法則和傅立葉變換，通過兩年時間的計算，於 1945 年解開了青黴素的結構[10]。

手繪三維電子云密度圖（青黴素）[11]

之後，她與同事們從 1948-1955 年，花了整整 7 年的時間解開了 維生素B12 的結構[12]。由於這兩項傑出的工作，1964 年霍奇金被授予了諾貝爾化學獎。

霍奇金正在解析維生素 B12 的結構（左）；後人所作漫畫（右）[13]

在化學家們分析化學物質結構的同時，生物學家也沒有閒著。當時的生物學家都迫切地期望能夠利用 X 射線晶體衍射技術來解析 DNA 和蛋白質的結構。但是這些生物大分子實在太大太複雜了。首先，這些生物大分子不可能在自然條件下形成結晶。其次，就算能夠獲得清晰的 X 射線衍射圖，想要通過數學計算來獲得生物大分子的結構，耗費的時間都得用年為單位來計算。

儘管困難重重，但這仍然阻止不了生物學家們的各種嘗試。1938 年，英國的分子生物學家威廉·阿斯特伯裡（William Astbury）和晶體學家弗洛倫斯·貝爾（Florence Bell）選取了結構相對有規則的小牛胸腺 DNA 纖維進行 X 射線衍射實驗，當時他們得到的衍射圖其實已經能夠看到 DNA 的螺旋結構了，不過遺憾的是，他們倆人因為觀點不合，無奈終止了合作[14][15]。DNA 的雙螺旋結構最終由沃森和克裡克成功解析，並於 1962 年獲得了諾貝爾醫學獎[16]。

阿斯特伯裡與貝爾，以及他們拍攝的 DNA 纖維 X 射線衍射圖[17]

蛋白質雖然不能在天然條件下形成晶體，但自從詹姆斯·薩姆納（James Sumner）於 1926 年證明了蛋白質可以在人工條件下結晶後[18]，生物學家們就開始對各種各樣的蛋白質進行人工結晶和 X 射線衍射實驗。當時的生物學家都認為，只要能夠獲得蛋白質的結晶和 X 射線的衍射數據，那即使花再長的時間計算，都是值得的。

蛋白質晶體[19]

從 1949 到 1960 這 11 年間，經過許多生物學家的努力，第一個蛋白質結構——肌紅蛋白——被完整地解析出來，這項工作最終由約翰·肯德魯（John Kendrew）和他的同事們發表在了 1960 年的《自然》期刊上[20]。馬克斯·佩魯茨（Max Perutz）同樣在 1960 年的《自然》期刊上發表了血紅蛋白的三維結構，而他們團隊的研究整整進行了 23 年的時間[21]。不過有趣的是，肯德魯團隊解析的肌紅蛋白來自抹香鯨，佩魯茨團隊解析的血紅蛋白來自馬。它們之間的胺基酸序列相似性不足 18% [22],[23]。可是，當生物學家們比較兩個蛋白質結構的時候，發現肌紅蛋白結構與血紅蛋白結構的四分之一幾乎完全一樣。它們的功能也十分相似，都能夠結合血紅素從而攜帶氧氣[24]。這時候，科學家們再一次感受到了「結構決定功能」這句話的分量。蛋白質結構對功能的影響是決定性的，這種影響遠大於物種差異、序列差異等其他因素。肯德魯與佩魯茨也由此於 1962 年共享了諾貝爾化學獎[25]。

血紅蛋白（灰）與肌紅蛋白（褐）的疊加[17]

20 世紀的 60-80 年代，計算機運行能力的進步和電子同步加速器的發明使得生物學家們開始涉足更大的蛋白質複合體。自那以後，蛋白質結構解析領域的諾獎得主那就是一隻手都數不過來了。1988 年至今，諾貝爾化學獎共有 6 次頒發給了蛋白質的結構解析領域。這些被解出來的蛋白質分別是光合作用反應中心[26]、鈉鉀泵[27]、鉀離子通道[28]、RNA 聚合酶[29]、細菌核糖體[30]和 G 蛋白偶聯受體[31]。它們當中分子質量最大的就是細菌核糖體，一個核糖體的分子質量大約是 230 萬道爾頓[32]。和 100 年前布拉格父子首次解析的氯化鉀晶體相比，細菌核糖體簡直就是一個龐然大物，畢竟氯化鉀的摩爾質量只有 75 左右，它們之間的差別就如同 1 個人與 300 頭大象。

圖：氯化鉀與核糖體的比較[33]

真正的龐然大物

然而，開篇提到的法國斯特拉斯堡大學的尤蘇波夫教授卻一直默默地研究著結構更為複雜的蛋白質複合體——真核生物核糖體。他從上世紀 80 年代開始，花了約 30 年的工夫，先後有 15 名生物學家參與，終於在 2010 年成功地解析了真核生物酵母的核糖體結構。這項研究結果最終由亞當博士等人發表在了 2011 年的《科學》期刊上[34]。據尤蘇波夫教授和亞當博士本人的描述：為了獲得理想的 X 射線衍射圖，他們幾乎用盡了所能想到的任何辦法，包括探討各種人工結晶的條件，更改 X 射線的強度與曝光時間，探討晶體旋轉速度與幅度等等。最後他們融合了 13 個晶體的數據，計算並分析了幾萬張 X 射線衍射圖，終於獲得了解析度為 0.3 納米的酵母核糖體結構。在這個解析度之下，幾乎所有的胺基酸側鏈都能被看得清清楚楚。這個巨大的細胞機器包含了 79 個蛋白質、5600 個核苷酸。分子質量大約為 330 萬道爾頓[35]。這也是目前用 X 射線衍射技術解析出來的最大的生物大分子了。可惜的是，核糖體的結構解析已經拿過一次諾獎了，尤蘇波夫教授想要再拿一次就變得十分困難。不過這並不影響他 2012 年獲得晶體學領域的最高榮譽獎——格雷戈裡·阿米諾夫獎[36]。

X 射線結晶衍射學家圖譜[33]

星星之火，可以燎原

X 射線晶體衍射技術從 100 年前的布拉格父子處發芽生根，如今已經長成了一棵參天大樹，其中相關的諾貝爾獎獲得者就有 23 人[37][38]。目前人類利用電子同步加速器所產生的 X 射線，與當年布拉格父子用的 X 射線相比，其強度已經提高了 10 億倍[39]。上個世紀，科學家們需要花十幾年甚至幾十年來解開一個蛋白質的結構。而如今在蛋白質結構資料庫 protein databank（pdb）中，平均每年都會新增 9000 個蛋白質結構[40]。這些蛋白質結構，將會被廣泛應用於生物體中的各種機理研究以及藥物開發等等。如果你聽過我們《環球科學有故事》的《C肝末日已至》節目，那你一定對其中特效藥的開發有印象，它們就是 X 射線晶體衍射學的應用。

這短短百年的歷史，呈現給我們的是從物理理論到生物應用的一次史詩級對接。事實上，除了生物學以外，它還被運用到了各種科學領域，包括：化學、地質學、環境學、材料學等等。甚至美國航空航天局 NASA 在 2012 年的「好奇號」火星探測器上搭載了一臺名為「開敏」（CheMin）的 X 射線衍射儀。承載著這一百多年無數科學家智慧的「開敏」，正代表著人類，探索著地球以外的晶體結構[41]。就像倫琴沒有料到自己發現的 X 射線可以用來看晶體結構一樣，布拉格父子也沒有料到，他們留下的布拉格法則將帶領人類探索更多的未知。

「開敏」（CheMin）和它拍下的第一張地外 X 射線衍射圖[41]

信源

[1]https://www.nature.com/articles/120410a0.pdf

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Crystal#/media/File:Crystal_facet_formation.svg

[3]https://www.nature.com/articles/120478b0.pdf

[4]https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja02205a001

[5]https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/RP/C4RP00010B#!divAbstract

[6]http://m.dingjisc.com/news/5rC055qE5YiG5a2Q57uT5p6E5byP.html

[7]https://j.17qq.com/article/surqeweax.html

[8]https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.1915.0009

[9]https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspa.1929.0083

[10]https://en.wikipedia.org/wiki/Dorothy_Hodgkin

[11]https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Model_of_the_Structure_of_Penicillin,_by_Dorothy_Hodgkin,_Oxford,_c.1945.jpeg

[12]https://en.wikipedia.org/wiki/Dorothy_Hodgkin

[13]https://medium.com/sci-illustrate-stories/dorothy-hodgkin-2b27d4f1adc1

[14]https://www.nature.com/articles/141747b0

[15]http://www.bshs.org.uk/florence-bell-the-other-dark-lady-of-dna

[16]https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleic_acid_double_helix

[17]https://www.youtube.com/watch?v=gBxZVF3s4cU

[18]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1946/sumner/lecture/

[19]https://www.issnationallab.org/blog/growing-high-quality-crystals-in-microgravity/

[20]https://www.nature.com/articles/185422a0

[21]https://www.nature.com/milestones/milecrystal/full/milecrystal12.html

[22]https://www.rcsb.org/structure/1vxa

[23]https://www.rcsb.org/structure/2d5x

[24]https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/perutz-lecture.pdf

[25]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1962/summary/

[26]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1988/summary/

[27]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1997/summary/

[28]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2003/summary/

[29]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2006/summary/

[30]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2009/summary/

[31]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2012/summary/

[32]https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-chemistryprize2009-1.pdf

[33]https://www.youtube.com/watch?v=a-jE7BM902Q

[34]https://science.sciencemag.org/content/334/6062/1524

[35]https://www.afc.asso.fr/l-association/temoignages/marat-yusupov-et-adam-ben-shem

[36]https://fr.wikipedia.org/wiki/Marat_Yusupov

[37]https://febs.onlinelibrary.wiley.com/cms/asset/f9902915-dba9-4c2b-8e77-c147eadf0de3/febs12796-fig-0001-m.jpg

[38]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25416941/

[39]https://iopscience.iop.org/article/10.3367/UFNe.2018.10.038435

[40]https://www.rcsb.org/stats/growth/growth-xray

[41]https://en.wikipedia.org/wiki/CheMin

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