窥探原子结构秘密 晶体学一百年
时间:2017-12-08

  间谍在原子科学一百年的秘密晶体结构 - 新闻 - 科学网

  照片来源:“自然”

  1914年,德国科学家马克斯·冯·劳厄(Max von Laue)因发现晶体如何衍射X射线而获得诺贝尔物理学奖,这一发现直接导致了X射线晶体学的出现。从那以后,研究人员用衍射来计算越来越复杂的分子的晶体结构,从简单的矿物质到石墨烯等高科技材料,甚至病毒。

  随着技术的进步,发现的步伐正在加快:每年有数以万计的新建筑物留下图像​​。上世纪90年代,蛋白质晶体图像的分辨率已经达到了区分单个原子的临界阈值。近日,“自然”杂志发表专题,回顾了世纪辉煌的晶体学。

  冯·劳厄正好有这样的想法,即当X射线穿过一个晶体时,由于原子的存在而散射,然后像冲击海岸的波一样相互干扰。在一些地方,有些浪潮会加入其他浪潮,有些浪潮可能会相互抵消。以这种方式,可以使用衍射图案来计算分散原始X射线的原子的位置。 1912年,Von Laue和他的同事使用硫酸铜样品来证明这一理论。

  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,科学家制作了第一个有机分子(六亚甲基四胺)的衍射图像,证实该分子也可以形成晶体的重复元素。 1925年,对石英结构的认识打开了矿物学的大门。

  1952年,罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)制作了DNA的X射线图像,帮助詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)创造了着名的双螺旋模型。 1958年,成像蛋白(肌红蛋白)的首次起皱不规则性令人惊讶。 1970年,同步加速器进入这一领域,这些器件使晶体学迅速兴旺起来。

  自1971年以来,世界蛋白质数据库一直致力于收集解决的蛋白质结构,迄今已有将近10万个条目被列入。其他数据库,包括晶体结构数据库(COD),包括从矿物到金属到生物分子的一切结构。

  1978年,第一个完整病毒(番茄浓密特技病毒)的原子级图像出来了。 1984年,准晶体图悄然出现。 2009年,美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的线性连续加速器光源开始运转,开启衍射成像的新时代。

  去年,艾滋病病毒三聚体的X射线晶体学已经完成,结束了科学家长期以来对蛋白质形成争议。现在,成像和数据分析技术的进一步发展使得研究人员能够观察到一些结构的更多微观细节,或者处理更复杂的分子。

  回顾晶体学史不难看出X射线技术的发展,X射线技术在强大的X射线激光器中发挥着重要作用,促进了晶体学的进步。

  观看物质的心脏

  在美国加利福尼亚州帕洛阿尔托附近的山上,物理学家们为世界上最快的电子设备制造了一个极端的障碍。首先,粒子在长达3公里的真空管中被加速到接近光速,然后通过一段磁铁,严重扭曲。最终有一个强大的X射线风暴,使他们足以穿透钢板。

  但是,SLAC科学家对武器不感兴趣。他们的机器是世界上最强大的X射线自由电子激光器(XFEL)之一,也是研究物质结构的工具。特别是,结构生物学家从XFEL中受益匪浅。 SLAC的激光器发射X射线脉冲的时间足够短,可捕获类似的频闪运动的分子图像,而且足够强大,以便用常规技术难以完成的生物分子簇成像。XFELs为生物学家提供了新的方法来扫描潜在的药物靶点,探索光合颗粒的结构。

  毫无疑问,XFELs是颠覆性的技术。伊利诺斯州芝加哥大学的晶体学家基思·莫法特(Keith Moffat)说,到目前为止,它已经远远超越了以前的技术,正在改变人们做事的方式。莫法特也是XFELs发射科学顾问委员会的成员。

  但是XFELs也是一个有争议的技术,尤其是SLAC线性连续加速器光源(LCLS)。 LCLS是世界上第一个也是最大的XFEL发射器,2002年面临着研究人员的频繁提问,美国能源部(DOE)率先启动了LCLS的建设,很多人当时质疑:未经证实的技术可以工作,LCLS未来的科学产值是4.14亿美元?

  在LCLS在2009年开始运行之后,辩论就此消失,Moffat说,按时,突出,更方便地进行预算工作。日本跟进了自己的XFEL工厂,欧洲计划在2015年启动更强大的工厂。预计在未来几年,全球对XFEL的投资将达到数十亿美元。但是为了充分发挥其潜力,这些设备还必须克服更多的技术障碍,从推进到更好地处理生成的数据。

  一个激进的物理学家,生物学家,激光科学家和高能量密度科学家的新社区正在兴起,因为人们必须理解他们工作中涉及的所有过程。瑞典乌普萨拉大学(Uppsala University)分子生物物理学家Janos Hajdu说,为了完成这项工作,许多事态发展必须结合在一起。

  当然,在如此庞大而复杂的晶体学领域,女性科学家很难在图像中找到。

  另一半的天空

  这是一个由女性主导的科学领域。 2004年,一位教授介绍了晶体学家朱迪思·霍华德,当时霍华德获得了布里斯托大学的荣誉学士学位。

  大约15年前,霍华德收到一封邀请她去英国达勒姆大学申请结构化学新职位的信,但是这个邀请有一个她不喜欢的措辞:女性不能擅长这项工作吗? 。她的博士生导师诺贝尔奖获得者多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin)鼓励她不要受到这些评论的影响。霍华德得到了工作,建立了世界领先的低温结构化学实验室,并担任该校化学系主任,后来当选为英国皇家学会会员,并担任达勒姆生物物理学跨学科研究所创始主任。

  无论他们获得什么荣誉,女性晶体学家总是少数,但他们也是晶体学的先驱。一个世纪以前,威廉·布拉格和儿子劳伦斯·布拉格共同主办了X射线晶体学; 1922年,布拉格招募凯瑟琳·朗斯代尔进入他的实验室。 Lonsdale在伦敦伦敦皇家研究院工作时,确定了苯环的结构,并进行了钻石研究。她也是第一批进入皇家学会(1945年)的女科学家之一,并成为伦敦大学学院第一位女性终身教授。

  霍奇金是少数几位加入英国物理学家约翰·德斯蒙德·贝尔纳尔实验室的女性之一,在二十世纪三十年代,贝纳尔和霍奇金首先拍摄了晶体蛋白的X射线图片,她在分析青霉素和维生素B12的结构方面的成就使她1964年的诺贝尔化学奖实际上,共有四名女性获得了诺贝尔化学奖,其中两名是晶体学家:霍奇金和以色列科学家阿达·尤纳斯(2009年)。

  富兰克林被记住生产DNA纤维的X射线照片。这张照片提供了沃森和克里克向他们展示的获得诺贝尔奖的双螺旋结构的工具。在她30多岁的癌症死亡的短暂生活中,富兰克林还进行了碳和煤碳和石墨以及重要的结构植物和动物病毒的研究。

  美国海军研究实验室的伊莎贝拉·卡尔(Isabella Karle)开发了一种实验研究方法,使用结构分析的直接方法来解决少于1000个原子的分子结构研究问题。然而,只有她的丈夫与赫伯特·豪普曼(Herbert Hauptman)共同获得了1985年的诺贝尔化学奖,才发展了该方法的理论基础。

  不管怎样,晶体学的历史都能激发和鼓舞年轻同事的女性的成功。但即使是高级女科学家在职业生涯中也面临着太多的障碍,英国科学作家乔治娜·费里(Georgina Ferry)说,也许国际晶体学年的主要目标之一是振兴布拉格和他的儿子留下的就业平等的概念。 (唐峰)

  中国科学通报(2014-02-12第3版国际)

  “自然”原创(英文)