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晶体学的故事 走过晶体学的100年

作者  杨涵婷(柳振峰组) 

  

  钻石水晶、雪花冰晶到冰糖食盐颗粒,我们对“晶体”这个带几分浪漫色彩的词汇并不陌生。晶体很早就吸引了人们的兴趣,在文艺复兴时期人们便开始讨论晶体到底是从惰性物质中生长的还是被外力雕刻而成的。作为19世纪末20世纪初物理学的三大发现(X射线、放射线、电子)之一,1895年X射线的发现标志着现代物理学的产生,人们开始尝试以非导入性方法观察物质。

  当晶体遇上X射线,会讲出什么样的故事呢?下面就让我们一起走进X射线晶体学的奥秘。

  X-射线晶体学发展历程

  早期的晶体学研究使用的方法主要是光学显微、角度测量以及晶体生长。那时候人们只能从晶体形状与解理开始, 通过观察晶体的外形来推测晶体本质。

  经历几百年的铺垫和积累,19世纪末20世纪初,晶体学和人类文明一起迎来了一系列里程碑式的重要发现。

  德国物理学家马克斯?冯?劳厄1912年率先发现了晶体中X射线的衍射现象,并因此获得1914年诺贝尔物理学奖。劳厄的文章发表不久,就引起英国一对父子的关注,当时老布拉格(WH.Bragg)已是利兹大学的物理学教授,而小布拉格(WL.Bragg)则刚从剑桥大学毕业,在卡文迪许实验室。1913年,布拉格父子利用X光照射一粒洁净的食盐晶体,结果在印相纸上看到了神奇的几何图案。在此基础上父子俩进一步深入,不仅以更简洁的方式,清楚地解释了X射线晶体衍射的形成,年轻的小布拉格提出了著名的布拉格公式;父子俩还成功地测定出了金刚石的晶体结构,完美地证明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对刚刚诞生的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件,它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性,使其开始为物理学家和化学家普遍接受。

  X射线晶体学的出现,彻底改变了人们研究分子的方式。随后,不断有科学家们对这一方法进行改进,使其日臻完善。但不管面貌如何改变,X射线晶体学始终是科学研究中最重要的工具之一。为了向这一技术致敬,一百年后的2014年,被联合国教科文组织宣布为“国际晶体学年”。

  有人说,晶体学塑造了20世纪的历史(Crystallography has shaped the history of the 20th century),正是由于人们对原子之间排列和相互作用崭新的视角,一系列对物质分子甚至原子水平的突破性进展让人们应接不暇,这些伟大的科学发现让我们对自己的生活有了颠覆性的理解。

  为什么水在100摄氏度沸腾而甲烷在零下161摄氏度就能沸腾?为什么鲜红如血而碧草青青?为什么钻石坚如磐石而蜡却很柔软?为什么同样遭受锤击,冰川会漂流而铁会变硬?肌肉如何收缩?阳光如何使万物繁茂生长?生物体如何能进化成更复杂的形式等等,所有这些问题的答案都来自于结构分析。

  1952年,英国物理化学家与晶体学家罗莎琳德?埃尔西?富兰克林使用X射线结晶学,拍摄了DNA晶体衍射图片“照片51号”,这副图片以及关于此物质的相关数据,是詹姆斯?沃森与佛朗西斯?克里克解出DNA的双螺旋结构的关键线索,这副照片亦被称为“有史以来最重要的图片”,开启了分子生物学的时代。

  DNA可能是被X射线所确定的所有结构中,最重要也最为人所熟知的,但它只是被X射线确定的数千个结构之一:从餐桌上的食盐到药品;从各种材料到复杂的大蛋白,对这些结构的了解也促进了我们对生命本身的进化的理解。

  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。剑桥大学卡文迪什实验室的马克思.佩鲁茨由此获得1962年诺贝尔化学奖。英国女生物化学家多罗西?霍奇金使用X射线晶体学技术确定了青霉素和维生素B12的三维结构。因此被授予1964年的诺贝尔化学奖。

  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。

  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。

  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,例如蛋白-蛋白或者蛋白-底物的复合物。

  X射线晶体学成为一种广泛使用的工具,在以后对确定许多生物分子的结构起了至关重要的作用。粗略统计,在过去的60年里,近10万生物大分子的结构已被晶体学家们揭示,这对医疗健康行业产生了难以估量的影响。仅仅20世纪,就有27项诺贝尔奖被授给直接使用X射线结晶学所获得的发现。对于约克郡出生的布拉格父子的实验产生的重大科学影响,奥地利化学家麦克斯?佩鲁茨的评价颇为中肯:“27项诺贝尔奖不可或缺的配方”。

  21世纪以来,晶体学依旧是诺贝尔奖的宠儿之一,2003年对水通道及钾离子通道结构研究、2009年的核糖体结构功能研究到2012年G蛋白偶联受体(GPCR),这也侧面说明了X射线晶体学的重要性。

  X射线晶体学

  如同我们在自然光下通过照相机对景物拍照,X射线晶体科学家利用X射线作为光源,对晶体进行摄影,以窥探晶体中原子的位置排列。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用,经过加速的X射线可以直击物质“心脏”,窥探它们的原子本质。

  其实无论是金银铜这样的无机金属或是食盐这样的化学物质,以及作为生命载体的核酸蛋白质等,都有其特定的天然堆积、折叠状态,也就是比较确定的某种三维构象。正是经过众多科研人员不懈的努力,X射线晶体学为依托的结构生物学,很好地帮助生物学家重构出它们的真实形状,从微观结构中理解微观世界里的秘密,探究生命的起源。

  蛋白质这个词大家耳熟能详,但是恐怕很难把它与晶体这样有棱有角的形象结合起来,甚至很难想象它会以三维实体物质形式存在,那如果我们想看到蛋白质的结构怎么办呢?

  如同无机盐的衍射,如果我们能让某种蛋白质形成一个晶体,那么这个晶体就会在X射线下产生一定的衍射图谱,通过这个图谱,就可以反推出这个蛋白质的结构了。这种解析蛋白质等生物大分子的方法就是依托X射线技术的蛋白质晶体学。

  那么蛋白晶体是怎样获得的?当足够均一性和纯度的蛋白质溶液达到过饱和状态时,能够形成一定大小的晶核,溶液中的蛋白质分子不断聚集到晶核上,进而形成蛋白质晶体。我们知道,对于晶体来说,有一个非常重要的特点就是对称性。对称性作为一种艺术形式在自然界中普遍存在,我们看到的人脸、花、蝴蝶、贝壳、房屋、金字塔等都具有对称性。对称性包括很多种,比如蝴蝶就是面对称,篮球是点对称,金字塔可以绕旋转轴移动达到重合。同样的,蛋白质晶体可以通过旋转、平移达到多种不同对称,通过X射线衍射探究蛋白质分子的多重对称性,便可借助电脑程序完成三维模型的搭建,了解蛋白质的真实模样。

  我们通常所说的“蛋白质结构”是指蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕、折叠形成的。那么,蛋白质真实构型如何?又为什么要摆出各种造型?这对人类有什么意义吗?

  如果把蛋白三维结构看做立体拼图,那么每一个氨基酸就是最基本的拼图元件,每一个氨基酸元件通过一定的方式旋转、平移拼接,完成结构拼图的搭建。在经典晶体学中,正是利用晶体和X射线衍射完成了这一神奇的立体拼图,再现了蛋白的天然折叠状态。

  三维结构意义何在?

  在物理化学领域发展的基础上,X射线晶体学被逐步引入到探究人们最为关注的自身组成上来。那我们为什么要研究生物分子的三维结构呢?

  因为核酸、蛋白质等生物大分子是构成生命活动的最基本元素,三维结构能从根本上反映它们长什么样,知道了特定核酸、蛋白的身材长相,便能量体裁衣,帮助我们了解生命活动的本质特征。

  1951年发表在PNAS上一篇文章开创了一门新的学科——结构生物学。其中最主要也是目前最成熟的技术就是前面所提到的X射线晶体学,在1960年代通过这一手段获得了首个原子分辨率的蛋白质结构的解析;到了1980年代,NMR也被应用于蛋白质结构的解析;近年来,冷冻电镜方法被广泛用于对于超大分子复合体的结构进行解析。随着电镜技术的发展,已经有很多重要的结构被解析出来。

  具体到蛋白晶体学的应用价值,一方面是生物体组成中核心蛋白的结构研究,给我们深入了解自然规律、生命过程机制等带来更为精确的信息。例如胰岛素结构之于代谢过程的理解、叶绿体捕光复合物之于光合作用的理解。另一方面,对药物研发的作用越来越大,例如许多抗病毒药物的研发都是在病毒结构的基础上筛选的。又比如种类最多、数目最大的受体家族蛋白GPCR(G蛋白偶联受体),是迄今已发现最主要的治疗药物靶点。

  局限和未来

  事实上大家对X射线结晶学的感情可谓又爱又恨,因为这一技术并非万能,其仍然有一个重大的局限,那就是,这一方法要用到特定品质和大小的晶体。品质好的盐晶体易得,但蛋白质这样复杂分子的晶体则难求,正因如此,很多科学家们的主要工作就是研究如何制造出特定蛋白的高质量晶体。

  从某种程度上来说,解决晶体问题也许是推动X射线结晶学不断前进的动力。一种解决办法是使用功能更加强大的X射线,就像熊熊燃烧的火炬比蜡烛更明亮一样,X射线光束的能量越多,得到高质量衍射图案所需要的晶体也就越小。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。

  100年前,布拉格父子使用的X射线源是类似于灯泡的一块小小的玻璃管,它产生的X射线的强度只够揭示盐晶体的结构;而现代的光源则来自于名为同步加速器的大型粒子加速器,比如英国著名的第三代同步辐射光源“钻石光源”等。这些大型设备可能长达数百米,产生光束的强度为太阳光的数万倍。使用这些不可思议的光束,科学家们能从越来越小的晶体中将其结构提出出来,或许,最终不再需要晶体?也许X射线自由电子激光(XFELs)等技术会带给我们颠覆性的未来,但至少走过这一百年,晶体学为人类文明做出的贡献毋庸置疑。

  带几分棱角几分浪漫色彩的crystal从平凡之路走出,在X射线的帮助下以晶体学的方式塑造了20世纪的历史。正如联合国教科文组织国际晶体学年的邮票图案,晶体学百年的发展和所有科学一样,历经一个个故事,有逸闻趣事也有跌宕曲折,成就了伟大也书写过遗憾。我们相信晶体学会和更多的技术交融,帮助我们开启未来的科学纪元。

  主要参考资料:

  Wikipedia

  Rubinstenn, G. et al. Nature Struct. Biol. 5, 568–570 (1998)

  Spence, J. C. H., Weierstall, U. & Chapman, H. N. Rep. Prog. Phys. 75, 102601 (2012)

  John Meurig Thomas. Nature 491, 186–187 (2012)

  Georgina Ferry. Nature 505, 609–611 (2014)