作者：陸鵬（Lu Peng），Ph.D.

工作單位：東京大學(xué)，農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)研究科，應(yīng)用生命化學(xué)專業(yè)

職稱：助理教授（Assistant Professor）

科學(xué)聲音科普寫作訓(xùn)練營(yíng)第三期營(yíng)員

上篇文章我們聊到，勞倫斯·布拉格在破解 X 射線衍射圖的奧秘之后，開始與父親合作解析各種各樣的自然界晶體。盡管他們?nèi)〉昧吮姸喑晒?，但研究的發(fā)表也并非一帆風(fēng)順。他們?cè)庥隽嗽鯓拥穆闊┡c挑戰(zhàn)呢？我們跟隨布拉格父子的腳步，為 X 射線晶體衍射的故事畫上一個(gè)完美的句號(hào)。

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氯化鈉晶體之爭(zhēng)

當(dāng)他們解析了氯化鈉晶體的結(jié)構(gòu)之后，在投給《自然》期刊的論文中寫道：“在氯化鈉中，我們似乎并沒(méi)有找到氯化鈉分子。鈉原子和氯原子是以相等的數(shù)目，相同的距離交替排列著，就如同一個(gè)有規(guī)則的象棋棋盤?！盵1]這一觀點(diǎn)遭到了化學(xué)家亨利·阿姆斯特朗（Henry Armstrong）的強(qiáng)烈反對(duì)。阿姆斯特朗一直認(rèn)為氯化鈉由分子構(gòu)成，在其分子中，氯原子和鈉原子應(yīng)該是緊緊挨在一起的。

棋盤一樣的氯化鈉二維晶體結(jié)構(gòu)（綠球：氯離子；紫球：鈉離子）[2]

為了說(shuō)明他們間的分歧，我們不妨再次回到透明大樓里士兵方陣那個(gè)例子。這次我們把鈉原子比喻成男士兵，氯原子比喻成女士兵。如果按照布拉格父子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，那么每個(gè)樓層方陣?yán)锒际且晃荒惺勘?，一位女士兵交替站著。如果按照阿姆斯特朗的觀點(diǎn)，那么每個(gè)樓層方陣?yán)锏哪信勘季o緊擁抱在一起站著。固執(zhí)的阿姆斯特朗甚至在《自然》期刊上指名道姓地對(duì)布拉格父子的觀點(diǎn)進(jìn)行了反駁，并且措辭異常激烈。他在論文中說(shuō)：“真的是錯(cuò)到哪里去了都不知道！我不管 X 射線物理學(xué)是什么，但是化學(xué)既不是國(guó)際象棋也不是幾何圖形……科學(xué)是追求真相，現(xiàn)在是時(shí)候讓化學(xué)家們來(lái)負(fù)責(zé)化學(xué)工作了，以免不知道的新手們被你們這些假權(quán)威所誤導(dǎo)：至少要教新手們更多的事實(shí)，而不是什么象棋棋盤?！盵3]

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科學(xué)確實(shí)是追求真相，但是追求真相的方式歸根結(jié)底還是要擺事實(shí)，講證據(jù)。像阿姆斯特朗這種缺乏證據(jù)的觀點(diǎn)陳述，顯然起不到有效反駁的作用。事實(shí)上，證明氯化鈉不是分子的實(shí)驗(yàn)證據(jù)并不只有布拉格父子的晶體結(jié)構(gòu)。比如，純水不導(dǎo)電，但是氯化鈉水溶液是導(dǎo)電的，這說(shuō)明氯化鈉在水中溶解后便電離出了鈉離子和氯離子，而不是以氯化鈉分子的形式存在[4]。再比如，相同摩爾濃度的氯化鈉溶液與蔗糖溶液相比，滲透壓幾乎提升了一倍。這充分說(shuō)明氯化鈉溶液里的粒子數(shù)量幾乎是蔗糖溶液的二倍[5]，而這種情況只可能是因?yàn)槁然c中的氯原子與鈉原子單獨(dú)存在。這些證據(jù)都充分顯示，布拉格父子的觀點(diǎn)沒(méi)有錯(cuò)誤——氯化鈉中不存在分子。

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向大分子物質(zhì)進(jìn)軍

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在證明“氯化鈉不是分子”的同時(shí)，一個(gè)新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)在了布拉格父子面前。那就是“大分子物質(zhì)的晶體該如何解析？”

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大分子物質(zhì)與離子、原子最大的區(qū)別就在于：它有自己的形狀。它不再像之前的原子或離子晶體那樣，最小單位可以被近似地看作是一個(gè)點(diǎn)。解析原子或離子晶體的結(jié)構(gòu)，由于最小單位是一個(gè)點(diǎn)，我們只要解出點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離就夠了。而如果要解析大分子物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，就必須在解出分子間距離的同時(shí)，還要解出大分子的形狀。

這個(gè)概念也可以用那個(gè)透明大樓里的士兵方陣來(lái)理解。其實(shí)把一個(gè)粒子直接比喻為一位士兵并不那么準(zhǔn)確。因?yàn)榱Ｗ佑凶约旱男螤?，它們并不一定是一個(gè)人形，長(zhǎng)得像士兵。比如原子和離子，它們就是球形的，如果要比喻準(zhǔn)確，那就只能把樓里面所有的士兵都替換成球。這種情況比較簡(jiǎn)單，不同的原子和離子間的差別無(wú)非就是球的大小不一樣。大一點(diǎn)的我們可以想象成籃球或足球，小一點(diǎn)的我們可以想象成高爾夫球或乒乓球。我們只要解出這些球與球的上下、左右、前后之間的距離，那么整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)也就解開了。

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但是分子不一樣，分子可不是一個(gè)簡(jiǎn)單的球。如果是水分子的晶體，那我們就得把那棟樓里的士兵都替換成一個(gè)個(gè)米老鼠的腦袋。如果是雙環(huán)己烷（bicyclohexyl）分子的晶體，那我們就得把那棟樓里的士兵都替換成一輛輛自行車。就拿水分子來(lái)舉例，我們可以想象一下，如果我們只解出水分子與水分子上下、左右、前后之間的距離，卻沒(méi)有解出它的形狀是一個(gè)米老鼠的腦袋，那最終我們還是無(wú)法破解水分子的結(jié)構(gòu)。顯然，要解析分子的形狀，僅僅依靠布拉格法則是不夠的。這時(shí)候，父親亨利·布拉格就表現(xiàn)出了他作為一名物理學(xué)家與數(shù)學(xué)家非凡的洞察力。在布拉格父子獲得諾獎(jiǎng)的同一年，父親其實(shí)就已經(jīng)開始思考解析大分子物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的方法。

水分子結(jié)構(gòu)（左）[6]；米老鼠頭（右）[7]

亨利·布拉格發(fā)現(xiàn)，X 射線的反射其實(shí)并不是晶體里的分子、原子和離子造成的，而是分布在它們周圍的電子造成的。這些電子的分布，就如同套在這些粒子外面的一層皮，只要能知道這層皮的形狀（即電子密度圖），那么這個(gè)大分子的形狀也就迎刃而解了。

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經(jīng)過(guò)一番計(jì)算后，亨利·布拉格發(fā)現(xiàn)大分子周圍的電子密度與 X 射線衍射圖上小黑點(diǎn)的顏色深淺有關(guān)，并且可以通過(guò)傅里葉變換將它們聯(lián)系起來(lái)[8]。由于篇幅有限，我不在這里深入介紹傅里葉變換的數(shù)學(xué)原理了。大家只要知道電子密度與衍射圖上的小黑點(diǎn)顏色的深淺度是互為傅里葉變換的關(guān)系就夠了。就像 2 的倒數(shù)是 1/2，而 1/2 的倒數(shù)是 2 一樣。任何一個(gè)非零的數(shù)和它的倒數(shù)都是互為倒數(shù)的關(guān)系。同樣，電子密度做傅里葉變換，就是小黑點(diǎn)顏色的深淺度。反過(guò)來(lái)小黑點(diǎn)顏色的深淺度做傅里葉變換，就能得到大分子的電子密度。有了理論基礎(chǔ)之后，兒子勞倫斯·布拉格利用父親的方法，于 1929 年計(jì)算并繪制了首個(gè)大分子晶體——透輝石（MgCaSi2O6）的二維電子密度圖[9]。

透輝石的手繪二維電子云密度圖[9]

生物化學(xué)家們的接力

英國(guó)化學(xué)家多蘿西·霍奇金（Dorothy Hodgkin）欣然接受了布拉格父子的理論。她和她的團(tuán)隊(duì)利用布拉格法則和傅里葉變換，通過(guò)兩年時(shí)間的計(jì)算，于 1945 年解開了青霉素的結(jié)構(gòu)[10]。

手繪三維電子云密度圖（青霉素）[11]

之后，她與同事們從 1948-1955 年，花了整整 7 年的時(shí)間解開了?維生素B12?的結(jié)構(gòu)[12]。由于這兩項(xiàng)杰出的工作，1964 年霍奇金被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

霍奇金正在解析維生素 B12 的結(jié)構(gòu)（左）；后人所作漫畫（右）[13]

在化學(xué)家們分析化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，生物學(xué)家也沒(méi)有閑著。當(dāng)時(shí)的生物學(xué)家都迫切地期望能夠利用 X 射線晶體衍射技術(shù)來(lái)解析 DNA 和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但是這些生物大分子實(shí)在太大太復(fù)雜了。首先，這些生物大分子不可能在自然條件下形成結(jié)晶。其次，就算能夠獲得清晰的 X 射線衍射圖，想要通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)獲得生物大分子的結(jié)構(gòu)，耗費(fèi)的時(shí)間都得用年為單位來(lái)計(jì)算。

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盡管困難重重，但這仍然阻止不了生物學(xué)家們的各種嘗試。1938 年，英國(guó)的分子生物學(xué)家威廉·阿斯特伯里（William Astbury）和晶體學(xué)家弗洛倫斯·貝爾（Florence Bell）選取了結(jié)構(gòu)相對(duì)有規(guī)則的小牛胸腺 DNA 纖維進(jìn)行 X 射線衍射實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)他們得到的衍射圖其實(shí)已經(jīng)能夠看到 DNA 的螺旋結(jié)構(gòu)了，不過(guò)遺憾的是，他們倆人因?yàn)橛^點(diǎn)不合，無(wú)奈終止了合作[14][15]。DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)最終由沃森和克里克成功解析，并于 1962 年獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[16]。

阿斯特伯里與貝爾，以及他們拍攝的 DNA 纖維 X 射線衍射圖[17]

蛋白質(zhì)雖然不能在天然條件下形成晶體，但自從詹姆斯·薩姆納（James Sumner）于 1926 年證明了蛋白質(zhì)可以在人工條件下結(jié)晶后[18]，生物學(xué)家們就開始對(duì)各種各樣的蛋白質(zhì)進(jìn)行人工結(jié)晶和 X 射線衍射實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)的生物學(xué)家都認(rèn)為，只要能夠獲得蛋白質(zhì)的結(jié)晶和 X 射線的衍射數(shù)據(jù)，那即使花再長(zhǎng)的時(shí)間計(jì)算，都是值得的。

蛋白質(zhì)晶體[19]

從 1949 到 1960 這 11 年間，經(jīng)過(guò)許多生物學(xué)家的努力，第一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)——肌紅蛋白——被完整地解析出來(lái)，這項(xiàng)工作最終由約翰·肯德魯（John Kendrew）和他的同事們發(fā)表在了 1960 年的《自然》期刊上[20]。馬克斯·佩魯茨（Max Perutz）同樣在 1960 年的《自然》期刊上發(fā)表了血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)，而他們團(tuán)隊(duì)的研究整整進(jìn)行了 23 年的時(shí)間[21]。不過(guò)有趣的是，肯德魯團(tuán)隊(duì)解析的肌紅蛋白來(lái)自抹香鯨，佩魯茨團(tuán)隊(duì)解析的血紅蛋白來(lái)自馬。它們之間的氨基酸序列相似性不足 18% [22],[23]?？墒牵?dāng)生物學(xué)家們比較兩個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)肌紅蛋白結(jié)構(gòu)與血紅蛋白結(jié)構(gòu)的四分之一幾乎完全一樣。它們的功能也十分相似，都能夠結(jié)合血紅素從而攜帶氧氣[24]。這時(shí)候，科學(xué)家們?cè)僖淮胃惺艿搅恕?strong>結(jié)構(gòu)決定功能”這句話的分量。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)功能的影響是決定性的，這種影響遠(yuǎn)大于物種差異、序列差異等其他因素?？系卖斉c佩魯茨也由此于 1962 年共享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[25]。

血紅蛋白（灰）與肌紅蛋白（褐）的疊加[17]

20 世紀(jì)的 60-80 年代，計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力的進(jìn)步和電子同步加速器的發(fā)明使得生物學(xué)家們開始涉足更大的蛋白質(zhì)復(fù)合體。自那以后，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域的諾獎(jiǎng)得主那就是一只手都數(shù)不過(guò)來(lái)了。1988 年至今，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)共有 6 次頒發(fā)給了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域。這些被解出來(lái)的蛋白質(zhì)分別是光合作用反應(yīng)中心[26]、鈉鉀泵[27]、鉀離子通道[28]、RNA 聚合酶[29]、細(xì)菌核糖體[30]和 G 蛋白偶聯(lián)受體[31]。它們當(dāng)中分子質(zhì)量最大的就是細(xì)菌核糖體，一個(gè)核糖體的分子質(zhì)量大約是 230 萬(wàn)道爾頓[32]。和 100 年前布拉格父子首次解析的氯化鉀晶體相比，細(xì)菌核糖體簡(jiǎn)直就是一個(gè)龐然大物，畢竟氯化鉀的摩爾質(zhì)量只有 75 左右，它們之間的差別就如同 1 個(gè)人與 300 頭大象。

圖：氯化鉀與核糖體的比較[33]

真正的龐然大物

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然而，開篇提到的法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的尤蘇波夫教授卻一直默默地研究著結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的蛋白質(zhì)復(fù)合體——真核生物核糖體。他從上世紀(jì) 80 年代開始，花了約 30 年的工夫，先后有 15 名生物學(xué)家參與，終于在 2010 年成功地解析了真核生物酵母的核糖體結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究結(jié)果最終由亞當(dāng)博士等人發(fā)表在了 2011 年的《科學(xué)》期刊上[34]。據(jù)尤蘇波夫教授和亞當(dāng)博士本人的描述：為了獲得理想的 X 射線衍射圖，他們幾乎用盡了所能想到的任何辦法，包括探討各種人工結(jié)晶的條件，更改 X 射線的強(qiáng)度與曝光時(shí)間，探討晶體旋轉(zhuǎn)速度與幅度等等。最后他們?nèi)诤狭?13 個(gè)晶體的數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析了幾萬(wàn)張 X 射線衍射圖，終于獲得了分辨率為 0.3 納米的酵母核糖體結(jié)構(gòu)。在這個(gè)分辨率之下，幾乎所有的氨基酸側(cè)鏈都能被看得清清楚楚。這個(gè)巨大的細(xì)胞機(jī)器包含了 79 個(gè)蛋白質(zhì)、5600 個(gè)核苷酸。分子質(zhì)量大約為 330 萬(wàn)道爾頓[35]。這也是目前用 X 射線衍射技術(shù)解析出來(lái)的最大的生物大分子了?？上У氖?，核糖體的結(jié)構(gòu)解析已經(jīng)拿過(guò)一次諾獎(jiǎng)了，尤蘇波夫教授想要再拿一次就變得十分困難。不過(guò)這并不影響他 2012 年獲得晶體學(xué)領(lǐng)域的最高榮譽(yù)獎(jiǎng)——格雷戈里·阿米諾夫獎(jiǎng)[36]。

X 射線結(jié)晶衍射學(xué)家圖譜[33]

星星之火，可以燎原

X 射線晶體衍射技術(shù)從 100 年前的布拉格父子處發(fā)芽生根，如今已經(jīng)長(zhǎng)成了一棵參天大樹，其中相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者就有 23 人[37][38]。目前人類利用電子同步加速器所產(chǎn)生的 X 射線，與當(dāng)年布拉格父子用的 X 射線相比，其強(qiáng)度已經(jīng)提高了 10 億倍[39]。上個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家們需要花十幾年甚至幾十年來(lái)解開一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。而如今在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) protein databank（pdb）中，平均每年都會(huì)新增 9000 個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[40]。這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，將會(huì)被廣泛應(yīng)用于生物體中的各種機(jī)理研究以及藥物開發(fā)等等。如果你聽(tīng)過(guò)我們《環(huán)球科學(xué)有故事》的《丙肝末日已至》節(jié)目，那你一定對(duì)其中特效藥的開發(fā)有印象，它們就是 X 射線晶體衍射學(xué)的應(yīng)用。

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這短短百年的歷史，呈現(xiàn)給我們的是從物理理論到生物應(yīng)用的一次史詩(shī)級(jí)對(duì)接。事實(shí)上，除了生物學(xué)以外，它還被運(yùn)用到了各種科學(xué)領(lǐng)域，包括：化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境學(xué)、材料學(xué)等等。甚至美國(guó)航空航天局 NASA 在 2012 年的“好奇號(hào)”火星探測(cè)器上搭載了一臺(tái)名為“開敏”（CheMin）的 X 射線衍射儀。承載著這一百多年無(wú)數(shù)科學(xué)家智慧的“開敏”，正代表著人類，探索著地球以外的晶體結(jié)構(gòu)[41]。就像倫琴?zèng)]有料到自己發(fā)現(xiàn)的 X 射線可以用來(lái)看晶體結(jié)構(gòu)一樣，布拉格父子也沒(méi)有料到，他們留下的布拉格法則將帶領(lǐng)人類探索更多的未知。

“開敏”（CheMin）和它拍下的第一張地外 X 射線衍射圖[41]



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