窥探原子结构秘密 晶体学一百年

随着技术的进步，发现的速度在加快:每年有成千上万的新结构留下图像。

照片来源:自然

1914年，德国科学家马克斯·冯·劳厄因发现晶体如何衍射X射线而获得诺贝尔物理学奖，这直接推动了X射线结晶学的出现。从那以后，研究人员利用衍射来计算越来越复杂的分子的晶体结构，从简单的矿物到石墨烯等高科技材料，甚至病毒。

随着技术的进步，发现的速度在加快:每年有成千上万的新结构留下图像。20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。最近，《自然》杂志出版了一期特刊，回顾了过去100年来晶体学的辉煌成就。

百年发展

冯·劳埃提出了这样一个想法:当x光穿过晶体时，由于原子的存在，它们会散射，然后相互干扰，就像海浪拍打海岸一样。在某些地方，一些波会被加到其他波上，而在其他地方，它们可能会互相抵消。这样，衍射图样可以用来计算散射原始x光的原子的位置。1912年，冯·劳埃和他的同事用硫酸铜样品证明了这一理论。

1913年，研究人员能够通过衍射图像确定钻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(环己甲硅烷四胺)的衍射图像，证实该分子也能形成晶体的重复元素。1925年，对应时结构的认识打开了矿物学的大门。

1952年，罗莎琳德·富兰克林制作了一张脱氧核糖核酸的x光图谱，从而帮助詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克创造了著名的双螺旋结构模型。1958年，人们对第一种成像蛋白(肌红蛋白)的不规则折叠感到非常惊讶。1970年，同步加速器进入了这个领域，这些设备使晶体学迅速繁荣。

自1971年以来，世界蛋白质数据库一直致力于收集已解析的蛋白质结构，迄今已收集了近100，000个条目。其他数据库，包括晶体结构数据库，包括从矿物到金属到生物分子的所有东西的结构。

1978年，第一个完整病毒(番茄矮缩病毒)的原子尺度图像被发表。1984年，准结晶学悄然出现。2009年，斯坦福线性加速器中心(SLAC)的线性连续加速器光源开始运行，开启了衍射成像的新时代。

去年，艾滋病毒三聚体的x光晶体图像完成，结束了科学家们对这种蛋白质形状的长期争论。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一些结构的更微观的细节，或者处理更复杂的分子。

回顾晶体学的发展，不难看出X射线技术在其中发挥了重要作用，强大的X射线激光器正在推动晶体学的发展。

直接击中材料“心脏”。

在美国加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建造了一个“极限越障训练场”。首先，粒子在一个3公里长的真空管中加速到接近光速，然后它们将穿过一段磁铁并被剧烈扭曲。最后，强烈的X射线爆发发生，使它们足以穿透钢板。

然而，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*电子激光发射器之一，也是研究材料结构的工具。特别是结构生物学家可以从XFELs中受益匪浅。SLAC激光发射的X射线脉冲足够短，可以捕捉分子运动的强点状图像，也足够强，可以对生物分子团成像——这是传统技术无法做到的。XFELs为生物学家提供了一种新的方法来扫描潜在的药物靶标并探索光合粒子的结构。

"毫无疑问，XFELs是一项颠覆性的技术."伊利诺伊州芝加哥大学的晶体学家基思·莫法特说:“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。”Moffat也是XFELs发射器科学咨询委员会的成员。

然而，XFELs也是一项有争议的技术，尤其是SLAC的线性连续加速器光源(LCLS)。LCLS是世界上第一个也是最大的XFELs发射机。2002年，面对来自研究人员的频繁询问，美国能源部领导了LCLS的建设。当时，许多人质疑LCLS未来的科学产出是否值得投资4.14亿美元，即使假设这项未经证实的技术可以工作。

2009年LCLS开始运营后，争议逐渐消失。Moffat提到“它按时、按预算工作，并且更加突出和方便”。日本紧随其后，建造了自己的XFEL设备，而欧洲计划建造一个更强大的，将于2015年发射的设备。预计在未来几年，全球对外融资平台的投资将达到数十亿美元。然而，为了充分发挥其潜力，这些设备必须克服更多的技术障碍，从推进动力到更好地处理生成的数据。

“物理学家、生物学家、激光科学家和高能密度科学家——一个全新的群体正在形成，因为人们必须了解所有相关的程序。”瑞典乌普萨拉大学的分子生物物理学家贾诺斯·哈杜说，“要完成这项工作，必须整合许多发展。”

当然，在如此庞大而复杂的晶体学领域，女科学家是不可或缺的。

天空的另一半

"这是一个由女性主导的科学领域。"一位教授在2004年介绍晶体学家朱迪思·霍华德时如是说，当时霍华德获得了英国布里斯托尔大学的荣誉学位。

大约15年前，霍华德收到一封信，邀请她申请英国达勒姆大学结构化学专业的新职位，但邀请函中有一些她讨厌的字眼:“女性不应该擅长这份工作吗？”。她的博士生导师、诺贝尔奖获得者多萝西·霍奇金鼓励她不要受这些评论的影响。霍华德得到了这份工作，建立了世界领先的低温变温结构化学实验室，并成为该校化学系主任。后来，她被选为英国皇家学会成员，并成为达勒姆跨学科生物物理研究所的创始主任。

不管她们获得了多少荣誉，女性晶体学家总是少数，但她们也是晶体学的先驱。一个世纪前，威廉·布拉格和他的儿子劳伦斯·布拉格共同提出了x光结晶学分析。1922年，布拉格将凯瑟琳·朗斯代尔招入他的实验室。在伦敦皇家研究所工作期间，朗斯代尔确定了苯环的结构，并进行了钻石研究。她也是最早进入皇家学院的两位女科学家之一(1945年)，并成为伦敦大学学院的第一位女性终身教授。

何杰金是加入英国物理学家约翰·戴斯蒙德·贝尔纳实验室的几位女性之一。贝尔纳尔和霍奇金在20世纪30年代拍摄了第一张晶体蛋白的x光照片。她在分析青霉素和维生素B12结构方面的成就使她获得了1964年诺贝尔化学奖。事实上，共有四位女性获得了诺贝尔化学奖，其中两位是晶体学家:何杰金和以色列科学家阿达·约纳特(2009)。

富兰克林因拍摄脱氧核糖核酸纤维的x光照片而闻名。这张照片为沃森和克里克提出他们获得诺贝尔奖的双螺旋结构提供了一个工具。在她短暂的一生中(她30多岁时死于癌症)，富兰克林还对煤和石墨中的碳以及植物和动物病毒进行了重要的结构研究。

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，利用结构分析的“直接方法”来解决少于1000个原子的分子结构研究的难题。然而，只有她的丈夫与赫伯特·豪普特曼分享了1985年诺贝尔化学奖，因为他发展了这种方法的理论支柱。

无论如何，结晶学的历史上充满了成功的女性，她们激励着年轻的女性。但是即使是资深女科学家在职业道路上仍然面临太多的障碍。英国科普作家乔治娜·费里(Georgina Ferry)指出，也许国际水晶年的一个重要目标是重振布拉格和他儿子留下的平等就业机会的概念。(唐峰)

《中国科学日报》(2014年2月12日，第三版国际版)

多读一些原著《自然》