窥探原子结构秘密 晶体学一百年

2014-2-12 11:15 来源: 中国科学报
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  随着技术进步,发现的步伐也在加速:每年数以万计的新结构留下影像。

  1914年,德国科学家Max von Laue因发现晶体如何衍射X射线而摘得诺贝尔物理学奖桂冠,这一发现直接推动了X射线晶体学的出现。从那时以来,研究人员利用衍射推算出了越来越多复杂分子的晶体结构,从简单矿物到石墨烯等高科技材料,甚至还包括病毒。

  随着技术进步,发现的步伐也在加速:每年数以万计的新结构留下影像。上世纪90年代,蛋白质晶体图片的分辨率已经达到能分辨单个原子的临界阈值。近日,《自然》杂志出版特刊,回顾了晶体学的百年辉煌。

  百年发展

  Von Laue偶然间有了这样一个想法,当X射线穿过一个晶体时,由于原子的存在,它们将发生散射,然后就像拍打海岸的波浪那样互相干扰。在某些地方,一些波会加入到另一些波中,而在另一些地方则可能出现相互抵消。这样一来,衍射图样就能被用于计算那些分散原始X射线的原子的位置。1912年,Von Laue及其同事利用硫酸铜样本证明了这一理论。

  1913年,研究人员能够通过衍射图像确定金刚石中碳原子的四面体结构。1923年,科学家制作了首个有机分子(环六亚甲基四胺)的衍射图像,证实了这种分子也能组成晶体的重复元素。1925年,对石英结构的认知打开了矿物学的大门。

  1952年,Rosalind Franklin制作了DNA的X射线图,从而帮助James Watson和Francis Crick创造了著名的双螺旋结构模型。1958年,首个成像蛋白质(肌红蛋白)的不规则褶皱让人们十分惊讶。1970年,同步加速器进入该领域,这些设备使得晶体学迅速繁荣。

  1971年以来,世界蛋白质数据库一直致力于收集已解决的蛋白质结构,迄今为止,已经收录了近10万个条目。包括晶体结构数据库(COD)在内的其他数据库收录了从矿物到金属再到生物分子的所有物质的结构。

  1978年,首个完整病毒(番茄丛矮病毒)的原子尺度图像问世。1984年,类晶体学悄然出现。2009年,美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的直线性连续加速器光源开始运转,打开了衍射成像新时代。

  去年,艾滋病病毒三聚物的X射线晶体图像完成,结束了科学家长期以来对这种蛋白质形状的争论。现在,成像和数据分析技术的进一步发展允许研究人员观察到一些结构的更微观细节,或者处理更复杂的分子。

  回顾晶体学的发展历程不难看出,X射线技术在其中扮演了重要角色,功能强大的X射线激光器推动着晶体学不断前进。

  直击物质“心脏”

  在美国加利福尼亚州帕洛阿尔托市附近的丘陵中,物理学家为世界上最快速的电子建造了一个“极端超越障碍训练场”。首先,粒子在一个长达3公里的真空管内加速到接近光速,然后它们将穿过一段磁铁,并被猛烈扭曲。最终出现强烈X射线暴,使它们足以穿透钢板。

  不过,SLAC的科学家对武器并不感兴趣。他们的机器是全世界功率最大的X射线自由电子激光(XFELs)发射器之一,也是研究物质结构的一种工具。结构生物学家尤其能从XFELs中获益匪浅。SLAC的激光器发射出的X射线脉冲短到足以捕获分子运动的类似频闪灯的图片,并且强烈到足以为生物分子集群成像——这是传统技术难以完成的。XFELs正赋予生物学家新的方法扫描潜在的药物标靶、探讨光合作用粒子的结构等。

  “毫无疑问,XFELs是颠覆性技术。”伊利诺伊州芝加哥大学晶体学家Keith Moffat说,“到目前为止,它远远超越了之前的技术,并正在改变人们做事的方式。”Moffat也是XFELs发射器科学顾问委员会成员。

  但XFELs也是备受争议的技术,尤其是SLAC的直线性连续加速器光源(LCLS)更是如此。LCLS是世界上首个也是最大的XFELs发射器。2002年,面对研究人员的频频质疑,美国能源部(DOE)牵头开始建造LCLS。当时许多人质疑:即使假设这个未经证实的技术能够工作,LCLS未来的科学产出是否值得投入4.14亿美元呢?

  2009年LCLS开始运行后,争论逐渐消失,Moffat提到,“它按时按预算工作了,并且更突出、更方便”。日本紧跟其后,建造了自己的XFEL设备,欧洲则计划了一个功率更大的设备,将于2015年启动。预计在未来几年中,全球对 XFELs的投入将达数十亿美元。但要充分发挥其潜力,这些设备还必须克服更多的技术障碍,从推进功率到更好地处理产生的数据等。

  “物理学家、生物学家、激光科学家和高能密度学家—— 一个彻底的新团体正在形成,因为人们必须了解相关工作的所有程序。”瑞典乌普萨拉大学分子生物物理学家Janos Hajdu说,“很多发展必须统合在一起,以便完成这项工作。”

  当然,在如此庞大复杂的晶体学领域,少不了女性科学家的身影。

  另一半天空

  “这是一个女性支配的科学领域。”2004年一位教授在介绍晶体学家Judith Howard时这样说道,当时Howard获得了英国布里斯托大学荣誉学位。

  大约15年前,Howard收到一封信函,邀请她申请英国杜伦大学结构化学的一个新职位,但是这封邀请函有着令她讨厌的措辞:“难道女性不应擅长这项工作吗?”。她的博士生导师、诺贝尔奖获得者Dorothy Hodgkin鼓励她不要受这些评论的影响。Howard得到了这份工作,建立了世界领先的低温可变温度结构化学实验室,并出任该校化学系主任。之后,她被选为英国皇家学会会员,并成为达拉谟跨学科生物物理学研究所创始所长。

  无论她们获得的荣誉有多少,女性晶体学家总是属于少数,但她们也是晶体学的先锋。一个世纪以前,William Bragg和儿子Lawrence Bragg共同提出了X射线晶体学分析;1922年,Bragg招募Kathleen Lonsdale进入他的实验室。在英国伦敦皇家研究院工作期间,Lonsdale确定了苯环的结构,开展了金刚石研究,她也是两位最早进入皇家学会的女性科学家之一(1945年),并且成为伦敦大学学院首位女性终身教授。

  Hodgkin则是加入到英国物理学家John Desmond Bernal实验室的数位女性之一。上世纪30年代,Bernal与Hodgkin拍下了晶体蛋白的首张X射线照片。她在分析青霉素和维生素B12结构方面的成就为她带来1964年诺贝尔化学奖。实际上,共有4位女性获得了诺贝尔化学奖,其中2位是晶体学家:Hodgkin和以色列科学家Ada Yonath(2009年获奖)。

  Franklin因其制作出DNA纤维的X射线照片而被人们记住。这张照片为Watson和Crick提出他们获得诺贝尔奖的双螺旋结构提供了工具。在她短暂的生命里(30多岁时死于癌症),Franklin还进行了煤和石墨中的碳,以及植物和动物病毒的重要结构学研究。

  而美国海军研究实验室的Isabella Karle开发出一种实验研究方法,使用结构分析的“直接法”解决了少于1000个原子的分子结构研究难题。但是,只有她的丈夫因发展出该方法的理论支柱而与Herbert Hauptman分享了1985年诺贝尔化学奖。

  无论如何,晶体学的历史上闪耀着成功女性的身影,她们激励和鼓舞着年轻的同行。但即使资深女性科学家在职业道路上仍面临太多的障碍,英国科普作家Georgina Ferry指出,或许这个国际晶体学年的重要目标之一就是,让Bragg父子遗留下来的就业机会平等观念重现活力。