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，明确了这一著名晶体中碳原子的四面体结构。

1923：环六亚甲基四胺（Hexamethylenetetramine）

首个成像的有机分子。

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著名的双螺旋模型。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

首个成像的蛋白质，其结构中的不规则折叠令人们非常惊讶。

1965：溶菌酶Lysozyme

首个成像的酶，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

人们最希望成像的蛋白包括：帮助编辑信使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。

生物通编辑：叶予

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