窺探原子結構秘密 晶體學一百年—新聞—科學網

2020-11-23 科學網

 

隨著技術進步，發現的步伐也在加速：每年數以萬計的新結構留下影像。

 

圖片來源：《自然》

 

1914年，德國科學家Max von Laue因發現晶體如何衍射X射線而摘得諾貝爾物理學獎桂冠，這一發現直接推動了X射線晶體學的出現。從那時以來，研究人員利用衍射推算出了越來越多複雜分子的晶體結構，從簡單礦物到石墨烯等高科技材料，甚至還包括病毒。

 

隨著技術進步，發現的步伐也在加速：每年數以萬計的新結構留下影像。上世紀90年代，蛋白質晶體圖片的解析度已經達到能分辨單個原子的臨界閾值。近日，《自然》雜誌出版特刊，回顧了晶體學的百年輝煌。

 

百年發展

 

Von Laue偶然間有了這樣一個想法，當X射線穿過一個晶體時，由於原子的存在，它們將發生散射，然後就像拍打海岸的波浪那樣互相干擾。在某些地方，一些波會加入到另一些波中，而在另一些地方則可能出現相互抵消。這樣一來，衍射圖樣就能被用於計算那些分散原始X射線的原子的位置。1912年，Von Laue及其同事利用硫酸銅樣本證明了這一理論。

 

1913年，研究人員能夠通過衍射圖像確定金剛石中碳原子的四面體結構。1923年，科學家製作了首個有機分子（環六亞甲基四胺）的衍射圖像，證實了這種分子也能組成晶體的重複元素。1925年，對石英結構的認知打開了礦物學的大門。

 

1952年，Rosalind Franklin製作了DNA的X射線圖，從而幫助James Watson和Francis Crick創造了著名的雙螺旋結構模型。1958年，首個成像蛋白質（肌紅蛋白）的不規則褶皺讓人們十分驚訝。1970年，同步加速器進入該領域，這些設備使得晶體學迅速繁榮。

 

1971年以來，世界蛋白質資料庫一直致力於收集已解決的蛋白質結構，迄今為止，已經收錄了近10萬個條目。包括晶體結構資料庫（COD）在內的其他資料庫收錄了從礦物到金屬再到生物分子的所有物質的結構。

 

1978年，首個完整病毒（番茄叢矮病毒）的原子尺度圖像問世。1984年，類晶體學悄然出現。2009年，美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）的直線性連續加速器光源開始運轉，打開了衍射成像新時代。

 

去年，愛滋病病毒三聚物的X射線晶體圖像完成，結束了科學家長期以來對這種蛋白質形狀的爭論。現在，成像和數據分析技術的進一步發展允許研究人員觀察到一些結構的更微觀細節，或者處理更複雜的分子。

 

回顧晶體學的發展歷程不難看出，X射線技術在其中扮演了重要角色，功能強大的X射線雷射器推動著晶體學不斷前進。

 

直擊物質「心臟」

 

在美國加利福尼亞州帕洛阿爾託市附近的丘陵中，物理學家為世界上最快速的電子建造了一個「極端超越障礙訓練場」。首先，粒子在一個長達3公裡的真空管內加速到接近光速，然後它們將穿過一段磁鐵，並被猛烈扭曲。最終出現強烈X射線暴，使它們足以穿透鋼板。

 

不過，SLAC的科學家對武器並不感興趣。他們的機器是全世界功率最大的X射線自由電子雷射（XFELs）發射器之一，也是研究物質結構的一種工具。結構生物學家尤其能從XFELs中獲益匪淺。SLAC的雷射器發射出的X射線脈衝短到足以捕獲分子運動的類似頻閃燈的圖片，並且強烈到足以為生物分子集群成像——這是傳統技術難以完成的。XFELs正賦予生物學家新的方法掃描潛在的藥物標靶、探討光合作用粒子的結構等。

 

「毫無疑問，XFELs是顛覆性技術。」伊利諾州芝加哥大學晶體學家Keith Moffat說，「到目前為止，它遠遠超越了之前的技術，並正在改變人們做事的方式。」Moffat也是XFELs發射器科學顧問委員會成員。

 

但XFELs也是備受爭議的技術，尤其是SLAC的直線性連續加速器光源（LCLS）更是如此。LCLS是世界上首個也是最大的XFELs發射器。2002年，面對研究人員的頻頻質疑，美國能源部（DOE）牽頭開始建造LCLS。當時許多人質疑：即使假設這個未經證實的技術能夠工作，LCLS未來的科學產出是否值得投入4.14億美元呢？

 

2009年LCLS開始運行後，爭論逐漸消失，Moffat提到，「它按時按預算工作了，並且更突出、更方便」。日本緊跟其後，建造了自己的XFEL設備，歐洲則計劃了一個功率更大的設備，將於2015年啟動。預計在未來幾年中，全球對XFELs的投入將達數十億美元。但要充分發揮其潛力，這些設備還必須克服更多的技術障礙，從推進功率到更好地處理產生的數據等。

 

「物理學家、生物學家、雷射科學家和高能密度學家—— 一個徹底的新團體正在形成，因為人們必須了解相關工作的所有程序。」瑞典烏普薩拉大學分子生物物理學家Janos Hajdu說，「很多發展必須統合在一起，以便完成這項工作。」

 

當然，在如此龐大複雜的晶體學領域，少不了女性科學家的身影。

 

另一半天空

 

「這是一個女性支配的科學領域。」2004年一位教授在介紹晶體學家Judith Howard時這樣說道，當時Howard獲得了英國布裡斯託大學榮譽學位。

 

大約15年前，Howard收到一封信函，邀請她申請英國杜倫大學結構化學的一個新職位，但是這封邀請函有著令她討厭的措辭：「難道女性不應擅長這項工作嗎？」。她的博士生導師、諾貝爾獎獲得者Dorothy Hodgkin鼓勵她不要受這些評論的影響。Howard得到了這份工作，建立了世界領先的低溫可變溫度結構化學實驗室，並出任該校化學系主任。之後，她被選為英國皇家學會會員，並成為達拉謨跨學科生物物理學研究所創始所長。

 

無論她們獲得的榮譽有多少，女性晶體學家總是屬於少數，但她們也是晶體學的先鋒。一個世紀以前，William Bragg和兒子Lawrence Bragg共同提出了X射線晶體學分析；1922年，Bragg招募Kathleen Lonsdale進入他的實驗室。在英國倫敦皇家研究院工作期間，Lonsdale確定了苯環的結構，開展了金剛石研究，她也是兩位最早進入皇家學會的女性科學家之一（1945年），並且成為倫敦大學學院首位女性終身教授。

 

Hodgkin則是加入到英國物理學家John Desmond Bernal實驗室的數位女性之一。上世紀30年代，Bernal與Hodgkin拍下了晶體蛋白的首張X射線照片。她在分析青黴素和維生素B12結構方面的成就為她帶來1964年諾貝爾化學獎。實際上，共有4位女性獲得了諾貝爾化學獎，其中2位是晶體學家：Hodgkin和以色列科學家Ada Yonath（2009年獲獎）。

 

Franklin因其製作出DNA纖維的X射線照片而被人們記住。這張照片為Watson和Crick提出他們獲得諾貝爾獎的雙螺旋結構提供了工具。在她短暫的生命裡（30多歲時死於癌症），Franklin還進行了煤和石墨中的碳，以及植物和動物病毒的重要結構學研究。

 

而美國海軍研究實驗室的Isabella Karle開發出一種實驗研究方法，使用結構分析的「直接法」解決了少於1000個原子的分子結構研究難題。但是，只有她的丈夫因發展出該方法的理論支柱而與Herbert Hauptman分享了1985年諾貝爾化學獎。

 

無論如何，晶體學的歷史上閃耀著成功女性的身影，她們激勵和鼓舞著年輕的同行。但即使資深女性科學家在職業道路上仍面臨太多的障礙，英國科普作家Georgina Ferry指出，或許這個國際晶體學年的重要目標之一就是，讓Bragg父子遺留下來的就業機會平等觀念重現活力。（唐鳳）

 

《中國科學報》 (2014-02-12 第3版 國際)

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