Nature特刊X射线晶体衍射百年纪

2019-07-21 16:34:41 来源: 崇明信息港

Nature特刊:X射线晶体衍射百年纪

生物通报道:X射线晶体衍射是人们了解原子世界的利器,这一技术为人们解析了大量的重要生物学结构。今年是这一技术的百年诞辰,本期Nature杂志以特刊形式,介绍了X射线晶体衍射的过去、现在和将来。

1914年,德国科学家Max von Laue因为发现晶体中的X射线衍射现象,获得了诺贝尔物理学奖,这一发现直接催生了X射线晶体学。从那以后,研究者们用这一衍射技术解析了大量复杂分子的晶体结构,从简单的矿物、高科技材料(如石墨烯)到病毒等生物学结构。随着这一技术的不断改进,出成果的节奏也越来越快。现在蛋白晶体成像的分辨率已经实现了突破,能够区分单个原子。而新X射线源实现了对困难蛋白的成像,这些蛋白难以甚至不能形成大晶体。

Von Laue hit的理论是,当X射线通过晶体时会发生衍射,而衍射模式可以体现原子的定位。1912年,Von Laue hit及其同事用硫酸铜验证了这一理论。

自1971年以来,全球蛋白数据库(Worldwide Protein Data Bank)就在不断收集蛋白质结构数据,目前已经收录了将近十万个条目。包括晶体学开放式数据库COD在内的其他数据库,收录了各种物质的结构,从矿物质、金属到小生物分子。

随着成像和数据分析技术的进步,研究人员能够获得更细微的结构信息,解决越来越复杂的分子结构。

晶体学百年大事记

1913:钻石

研究者们利用衍射成像技术,明确了这一着名晶体中碳原子的四面体结构。

1923:环六亚甲基四胺(Hexamethylenetetramine)

成像的有机分子。

1925:石英Quartz

确定这一硅酸盐矿物的结构,为矿物学研究奠定了基础。

1952:DNA

Rosalind Franklin对DNA进行了X射线成像,这一图像帮助沃森和克里克建立了着名的双螺旋模型。不过直到1980年,人们才获得了原子分辨率的DNA结构。

1958:肌红蛋白Myoglobin

成像的蛋白质,其结构中的不规则折叠令人们非常惊讶。

1965:溶菌酶Lysozyme

成像的酶,源自鸡蛋清。

1970:同步加速器

德国DESY(German Electron Synchrotron)的昆虫肌肉研究,首次使用了同步加速器生成的X射线。这一技术大大推动了晶体学领域的研究。

1978:番茄丛矮病毒

首次在原子水平上成像完整的病毒。这项研究中的发现,对人体病原体同样适用。

1984:准晶体Quasicrystals

首次发现原子排列“反常”的晶体。

2000:核糖体

根据DNA指令装配蛋白质的重要分子机器。

2009:X射线自由电子激光器

美国SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source)投入使用,为成像技术开辟了新的天地。

2013:HIV三聚体

X射线晶体学成像了HIV与人体细胞结合的重要蛋白,解决了长期争议。

未来

人们希望成像的蛋白包括:帮助信使RNA的剪接体,作为细胞核守门人的核孔复合体等等。这些结构的共同点在于,它们都包含数百种蛋白,导致很难结晶和成像。

也许可以将这些结构分解成小块进行结晶,然后再把它们拼起来,使用X射线自由电子激光器应该能够有所帮助。

生物通:叶予

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