1914年，德國科學(xué)家Max von Laue因發(fā)現(xiàn)晶體如何衍射X射線而摘得諾貝爾物理學(xué)獎桂冠，這一發(fā)現(xiàn)直接推動了X射線晶體學(xué)的出現(xiàn)。從那時以來，研究人員利用衍射推算出了越來越多復(fù)雜分子的晶體結(jié)構(gòu)，從簡單礦物到石墨烯等高科技材料，甚至還包括病毒。

隨著技術(shù)進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)的步伐也在加速：每年數(shù)以萬計的新結(jié)構(gòu)留下影像。上世紀(jì)90年代，蛋白質(zhì)晶體圖片的分辨率已經(jīng)達(dá)到能分辨單個原子的臨界閾值。近日，《自然》雜志出版特刊，回顧了晶體學(xué)的百年輝煌。

百年發(fā)展

Von Laue偶然間有了這樣一個想法，當(dāng)X射線穿過一個晶體時，由于原子的存在，它們將發(fā)生散射，然后就像拍打海岸的波浪那樣互相干擾。在某些地方，一些波會加入到另一些波中，而在另一些地方則可能出現(xiàn)相互抵消。這樣一來，衍射圖樣就能被用于計算那些分散原始X射線的原子的位置。1912年，Von Laue及其同事利用硫酸銅樣本證明了這一理論。

1913年，研究人員能夠通過衍射圖像確定金剛石中碳原子的四面體結(jié)構(gòu)。1923年，科學(xué)家制作了首個有機分子(環(huán)六亞甲 基四胺)的衍射圖像，證實了這種分子也能組成晶體的重復(fù)元素。1925年，對石英結(jié)構(gòu)的認(rèn)知打開了礦物學(xué)的大門。

1952年，Rosalind Franklin制作了DNA的X射線圖，從而幫助James Watson和Francis Crick創(chuàng)造了著名的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1958年，首個成像蛋白質(zhì)(肌紅蛋白)的不規(guī)則褶皺讓人們十分驚訝。1970年，同步加速器進(jìn)入該領(lǐng)域，這些設(shè)備使得晶體學(xué)迅速繁榮。

1971年以來，世界蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫一直致力于收集已解決的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，迄今為止，已經(jīng)收錄了近10萬個條目。包括晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(COD)在內(nèi)的其他數(shù)據(jù)庫收錄了從礦物到金屬再到生物分子的所有物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

1978年，首個完整病毒(番茄叢矮病毒)的原子尺度圖像問世。1984年，類晶體學(xué)悄然出現(xiàn)。2009年，美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)的直線性連續(xù)加速器光源開始運轉(zhuǎn)，打開了衍射成像新時代。

去年，艾滋病病毒三聚物的X射線晶體圖像完成，結(jié)束了科學(xué)家長期以來對這種蛋白質(zhì)形狀的爭論。現(xiàn)在，成像和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展允許研究人員觀察到一些結(jié)構(gòu)的更微觀細(xì)節(jié)，或者處理更復(fù)雜的分子。