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如果有谁能直接看到物质的结构，那这个人一定是上帝；如果上帝需要眼镜才能看到物质结构的话，那至少需要两副眼镜，一副叫X光，一副叫冷冻电镜。 2015年8月25日，当地时间晚10点，繁星如争相看热闹的眼，一眨一眨地投向斯堪的纳维亚半岛一个叫Lund的小城，小城里一个有着528米周长，30亿电子伏特的庞然大物嘶吼着，射出一缕电子束。电子束奔波游走，漾出一道道的波光，那就是X光。 这台叫做Max IV的机器号称是第四代X光生成器。如果按照刘慈欣的理论，粒子加速器轰鸣声中，无数个宇宙正在消亡，所以恭喜人类，我们又有了新的大杀器。宇宙的命运，可能并不比我们脚下无意碾过的蚂蚁更加坚强。 这只是获得X光的一个极端的例子，我们，尤其是我们的胸，沐浴在X光里已经太久。唐伯虎点秋香中，华安说自己擅长观人眉宇、窃玉偷香，X光擅长的是观人肺腑，治病疗伤。治病疗伤的事以后讲，今天聊聊X光如何观察众生的肺腑心肝。 X，从射线到光一步，迈了17年 话要从伦琴发现X射线的1895年说起。 X射线现在大家熟悉的不得了——谁体检还不拍个胸片？可1895年，中国刚刚在甲午海战失利，李鸿章收拾行囊正准备去日本议和，写茶花女的小仲马刚刚去世，这个时候，人们对X射线是不是光还莫衷一是。 可能有人想，能拍照片的就是光。X射线能照照片，比如手骨照片，虽然挺慎人，但那毕竟是照片呀。 但是，物理学家是一群很较真的存在，没有拿到直接证据，就无法最终说明X射线也是光。那既然照照片不能定义光，啥能呢？衍射能。问题来了，衍射需要光栅。可见光波较长，实现衍射并不难，找个合适宽窄的光栅就齐活，我们中学时学的小孔成像就是个例子。X射线的波长是可见光的几千分之一，可不容易找到这么窄的光栅。 这时一个很流弊的德国科学家灵光一闪，人做不成这样窄的光栅，没准大自然能啊。大自然中的很多晶体能不能当成天然的光栅？ 这个科学家叫劳厄，他把自己的想法和自己的老板讲了。他老板叫阿诺德?索茉菲。如果这世界上有谁敢说自己桃李满天下，索茉菲肯定会呵呵。索茉菲有足够的理由感觉自己牛逼，因为他的学生牛逼，不是一个牛逼，是基本上所有人都牛逼。他的博士生中有4个、研究生中有3个，一共7个获得诺贝尔奖，其中大名鼎鼎的海森堡、泡利、鲍林，更别提其它不计其数的牛人。索茉菲对劳厄的想法也是呵呵，说劳厄啊，你的想法图样图森迫，别浪费你的绳命，有时间搞点别的吧。 然而劳厄不信这个邪。在1912年，劳厄的想法被证实，晶体证实了X射线也能呈现光波的效应，发生衍射。当时Nature杂志用了很多个“牛逼”来形容劳厄的发现。仅仅两年后，劳厄就得到了炸药奖。想想DNA双螺旋，多重要的发现，9年后才得奖。当然DNA双螺旋结构也是通过X射线发现的，这是后话。 虽然天然晶体证实了X射线的光的性质，但这个发现最大的应用反倒是，可以通过X光来研究晶体的结构。X光让人们终于能在分子尺度上“看到”物质结构。这是只有上帝才能做的事。这就是X光晶体学（X-ray crystallography）。 X光，上帝的第一副眼镜 您能根据微博的评论就还原微博的内容么？恐怕不能，即使不考虑诸如“楼猪2B”、“原装进口化妆品物美价廉”之类的信息，读者的反应也不能和文章的内容对应，这里面缺乏精确的线性数学关系。而且，还要保证评论数无限多，而这是很难保证的。 您能用子弹射击铁块，然后记录子弹撞击铁块后弹射的轨迹，从而判断铁块的结构么？答案恐怕是，搞不好还真能整出来。没错，子弹弹射的轨迹和铁块的结构似乎存在一一对应的数学关系。要保证这样的数学关系，子弹要足够小，这样子弹的性状造成的复杂可以简化；子弹要速度恒定；子弹要足够多。当然铁块的性状结构最好规整。 X光晶体学就是这么一个确定物质的东东。X光是够小、速度恒定（光速）、并且数量众多的子弹，用X光扫射结晶较好的晶体，然后记录X光的衍射，可以判断物质的结构。 所以X光晶体学的难点就是：一要有好的结晶，二要有对衍射的记录。这第二点一点不比第一点容易，因为谁也不能把3维的X光运行轨迹拍照片分析，只能用底片记录X光2维上的点，所以要从多个角度扫射晶体，形成多张2维照片，然后用数学方法还原3维结构。看过三体的都知道降维攻击这个词，也看到过刘慈欣对不同维度的描述，高维同低维相比，包含了无数倍的信息，所以可以想象升维的难度。看看下面这张图，看你能从这里看出DNA双螺旋的结构？ 物质结构编年史 布拉格父子是最早认识到X光晶体学巨大威力的人之一。虽然老布拉格（亨利布拉格）在1907年还否认过X射线是光，但他从善如流，迅速开始用X光晶体学研究物质结构。 1914年，劳厄证实X光后的两年，老布拉格采用X光晶体学历史上第一次研究了晶体的结构，对象很简单，就是盐。同一年，布拉格父子还解析了金刚石、铜、碳酸钙等。布拉格父子的“从良”带来巨大回报，一年后的1915年两父子获得炸药奖，比劳厄还快。他们还创造了很多记录：最快获奖、父子获奖，小布拉格25岁获奖。这最后一条，恐怕以后再无人能超越了。 最初确定结构的物质都是简单纯净的物质。然后人们向更复杂的物质进军：矿物和金属。最初确定结构的矿物是石榴石，就是我们在金店常常能看到的各种颜色的石榴石。2012年10月17号，好奇者号火星车对火星土壤做了X光结晶，发现长石、辉石和橄榄石，类似于夏威夷火山附近的风化玄武土。 最初确定结构的金属包括Mg2Sn，是大名鼎鼎的莱纳斯鲍林确定的。莱纳斯刚开始选择的是Soudium Dicadmide，后来证实这是很难搞的东西，包含超过1000个分子，直到35年后才被莱纳斯的同学搞清楚结构。 Soudium Dicadmide的例子证明大分子难搞。无论是矿物还是金属，毕竟是无机物，有机物则更加复杂。最早搞出的有机物是脂肪酸。 上帝是没有性别的，但是上帝之眼一定不缺少女性的细腻。接下来几个重要的有机大分子就是一个女科学家搞出来的，包括胆固醇，青霉素，维生素B12。这个科学家叫霍奇金，1964年获得炸药奖。 霍奇金在1953年四月份，从牛津跑到剑桥，看到DNA双螺旋模型，而这个模型，是沃森和克里克看到富兰克林的DNA晶体衍射照片后想出来的。 X光晶体学的终极挑战是蛋白质。普普通通的蛋白质，也比胆固醇大上几百倍而且形状不规则很难结晶。1950年左右，约翰肯德鲁解析了抹香鲸肌红蛋白的结构，他也因此于1962年获奖。 还是那个霍奇金，1969年解析了胰岛素的结构。 建立起蛋白质的结构和功能的，是1972年的诺奖。三名科学家弄清了核糖核酸酶的结构。这项工作的重要性在于发现了氨基酸序列对蛋白功能的影响。 挑战中的挑战则是膜蛋白。膜蛋白大而且难以结晶。随后的钾通道、水通道、G蛋白偶联受体，都得到炸药奖。 到现在为止，蛋白数据库中10万个结构中的9万个都是通过X光晶体学搞定的。 剪切小体，上帝之眼上的盲点 爱因斯坦说过，搞学问就像在木板上打孔，有些三流科学家，他们找个最薄的地方，钻一大堆孔（I have little patience with scientists who take a board of wood, look for its thinnest part, and drill a great number of holes where drilling is easy）。结构生物学这块木板上，最厚的几个地方，被一些科学家纷纷攻破了，他们在木板上印上带着诺贝尔字样的二维码，中间是自己剪刀手大照片。 当然还剩下一些很厚的地方，大家只是远远地望着，不敢接近。 比如剪切小体。剪切小体为啥是木板上最厚的地方之一？一个字：幅员辽阔，人口众多，互动频繁。4条RNA，37个蛋白质，1.3兆道尔顿，关键还是大家都不停地发动态、互相点赞和评论，你说有多难？这种情况下，X光也不管用了！ 所以解析剪切小体这样的蛋白复合物，最关键的是关闭各个成员发动态、点赞以及评论的能力。 幸好，科学家发明了冷冻电镜。 上帝的另一副眼镜 核糖核酸酶获得炸药奖的次年，Richard Henderson踌躇满志地来到英国分子生物学实验室，致力于bacteriorhodopsin的研究。Henderson已经搞定了bacteriorhodopsin的晶体，但就是无法X光衍射。Henderson一筹莫展。 这个时候，冷冻电镜方兴未艾，还需要染色才能用来观察结构，也仅仅解决了一些病毒的结构，比如烟草花叶病毒。 Henderson得到灵感，采用冷冻电镜来研究bacteriorhodopsin的结构，他还天才地省略了冷冻电镜中的染色，把蛋白至于金属网格中。1975年，Henderson破解了bacteriorhodopsin的结构。 1980到1990年代是冷冻电镜大发展时期。技术上的突破是通过液体乙烷瞬间冷冻溶液中的蛋白。然而此时，冷冻电镜只能实现大约10埃的分辨率。相比之下，X光衍射的分辨率是4埃，而药物设计对物质结构的分辨率比这还要低。 2012年以后，两个因素导致了冷冻电镜的飞速发展，一个是检测器的革命，这使得冷冻电镜的分辨率大大提高，另一个是将2维图片还原为3维结构的算法得到革新。 接下来我们熟知的，就是清华大学施一公教授解析剪切小体的故事了。 [1] The revolution will not be crystallized: a new method sweeps through structural biology. Nature News, 2015-09-09. 来源：科学网徐鑫博客 |
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