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晶体结构研究百年史 精选

已有 10728 次阅读 2014-1-30 10:45 |个人分类:自然科学|系统分类:海外观察

今天《自然》有两个主题,一个是干细胞方面,有两篇论著报道同一个小组发现的简化版诱导干细胞技术,这可能会影响将来干细胞研究和应用的方向。也有一篇新闻关注韩国干细胞研究造假学者黄某某。另外一个就是对晶体学的专题。今天《自然》封面就是这个方面的内容。

 

     1912年复活节在阿尔卑斯山滑雪期间,德国物理学家马克斯 冯 劳厄告诉他同事一个新思路:假定通过晶体的 x 射线通过晶格中的原子会受到排列规律原子的影响而产生衍射现象。他的滑雪伙伴对此持怀疑态度,因为原子在晶体中的热运动会破坏衍射现象。1912年6月,劳厄想法被证实,并在1914年为表彰他一种x 射线衍射晶体技术的发现荣获诺贝尔物理学奖。这种技术不仅阐述了x线具有光的波动性特征,而且让化学家作为分析原子在晶体中位置的重要手段。

        因为可以让科学家解析复杂分子的内部结构,X线晶体学迅速受到许多学科的关注。为祝贺国际晶体学年,今日《自然》专题回顾了劳厄以及他的弟子们在晶体学领域的重大影响。602页的图片对一个世纪以来晶体学领域的重大进展进行了汇总。604页则描绘了众多国家在昂贵的x线自由电子激光设备方面的投入,以试图解决晶体学领域的困难问题。602页的新闻则比较了这些工具和同步加速器x线在结构生物学方面的应用特点。

       虽然晶体学研究取得了极大成功,但近来仍存在不少问题和困难,物理学家Paulo G. Radaelli提出倡议,形成一个国际组织共享大型国际X线和中子设备。也有学者对这个领域的职业特点和女性的作用进行了分析。


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。

2013 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“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。

半边天

“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。

延伸阅读:

Nature:晶体学百年大事记




Electrons are accelerated before entering an X-ray free electron laser.

Nature|News Feature

Crystallography: Atomic secrets

100 years of crystallography.

29 January 2014
Article tools

In 1914, German scientist Max von Laue won the Nobel Prize in Physics for discovering how crystals can diffract X-rays: a phenomenon that led to the science of X-ray crystallography. Since then, researchers have used diffraction to work out the crystalline structures of increasingly complex molecules, from simple minerals to high-tech materials such as graphene and biological structures, including viruses. With improvements in technology, the pace of discovery has accelerated: tens of thousands of new structures are now imaged every year. The resolution of crystallographic images of proteins passed a critical threshold for discriminating single atoms in the 1990s, and newer X-ray sources promise images of challenging proteins that are hard or impossible to grow into large crystals.

Birth of an idea

Von Laue hit on the idea that when X-rays passed through a crystal, they would scatter off the atoms in the sample and then interfere with each other like waves passing through a breach in a shore wall. In some places, the waves would add to each other; in others, cancel each other out. The resulting diffraction pattern could be used to back-calculate the location of the atoms that scattered the original X-rays. Von Laue and his colleagues proved his theory in 1912 with a sample of copper sulphate.

Going up

The Worldwide Protein Data Bank has been collecting resolved structures of proteins since 1971, and now holds nearly 100,000 entries. Other databanks, including the Crystallography Open Database (COD), include structures of everything from minerals to metals and small biological molecules. The COD is now adding instructions into its database for how to print three-dimensional models of some structures.

Source: Worldwide Protein Data Bank/ Crystallography Open Database

Getting clearer

Better techniques for both imaging and interpreting data have allowed researchers see finer details in some structures and tackle ever more complicated molecules.

Images: Bernhard Rupp/Garland Science/Taylor & Francis Graph: H. M. Berman Protein Sci. 21, 1587–1596 (2012), with updates from Worldwide Protein Data Bank

100 years of crystallography1913: Diamond

Diffraction image allowed researchers to confirm the tetrahedral structure of carbon atoms in this famous crystal.

1923: Hexamethylenetetramine

The first organic molecule to be imaged, chosen because of its simple cubic symmetry. It proved that molecules, not just atoms, can make up the repeating elements of a crystal.

Am. Chem. Soc.

Hexamethylenetetramine in 3D

Courtesy: James Garnett and Jonathan Taylor

1925: Quartz

The determination of the structure of silicate minerals was fundamental to the field of mineraology.

1952: DNA

Rosalind Franklin’s X-ray image of DNA, known as photo 51, helped James Watson and Francis Crick to create their famous model of the double helix. An atomic-resolution image of the structure proposed in 1953 was not taken until 1980.

King’s College London

DNA in 3D

Courtesy: James Garnett and Jonathan Taylor

1958: Myoglobin

The irregular folds seen in the structure of the first imaged protein were a huge surprise.

Myoglobin in 3D

Courtesy: James Garnett and Jonathan Taylor

1965: Lysozyme

The first enzyme to be imaged, sourced from hen egg whites.

Lysozyme in 3D

Courtesy: James Garnett and Jonathan Taylor

1970: Synchrotron

A study of insect muscle at the German Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg was the first to use X-rays generated by a synchrotron. The use of these machines caused a boom in crystallography studies.

1978: Tomato bushy stunt virus

First atomic-scale image of a complete virus: in this case, a plant virus. It revealed structural rules that were found to hold true in human pathogens a few years later.

Tomato bushy stunt virus in 3D

Courtesy: James Garnett and Jonathan Taylor

1984: Quasicrystals

The first crystals were identified with atomic arrangements that do not repeat exactly, defying general wisdom about crystals.

US Dept of Energy/AFP/Getty

2000: Ribosome

The molecular machine that assembles proteins from instructions encoded in DNA.

V. Ramakrishnan & D. E. Brodersen/Medical Research Council

Ribosome in 3D

Courtesy: Said Sannuga and V. Ramakrishnan, MRC Laboratory of Molecular Biology

2009: X-ray free-electron laser

The Linac Coherent Light Source at the SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, California, went into operation, opening up a new world of imaging possibilities (see page 604).

2013: HIV trimer

An X-ray crystallographic image of the hook that HIV uses to bind to human cells helped to resolve a debate about what this important protein looks like.

AAAS

HIV trimer in 3D

Courtesy: James Garnett and Jonathan Taylor

The future

The ‘most wanted’ list of proteins that remain to be imaged includes the massive spliceosome, which helps to organize and edit messenger RNA, and the even larger nuclear-pore complex, which serves as a nucleus’s gatekeeper.

These structures can contain hundreds of proteins, making them hard to crystallize or keep still for an image.

One strategy is to crystallize bits of these structures and piece them together like a jigsaw; the use of X-ray free-electron lasers should also help.

Nature505,602–603(30 January 2014)doi:10.1038/505602a




https://wap.sciencenet.cn/blog-41174-763413.html

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