作者：陆鹏（Lu Peng），Ph.D.工作单位：东京大学，农学与生命科学研究科，应用生命化学专业职称：助理教授（Assistant Professor）科学声音科普写作训练营第三期营员上篇文章我们聊到，劳伦斯·布拉格在破解 X 射线衍射图的奥秘之后，开始与父亲合作解析各种各样的自然界晶体。尽管他们取得了众多成果，但研究的发表也并非一帆风顺。他们遭遇了怎样的麻烦与挑战呢？我们跟随布拉格父子的脚步，为 X 射线晶体衍射的故事画上一个完美的句号。氯化钠晶体之争当他们解析了氯化钠晶体的结构之后，在投给《自然》期刊的论文中写道：“在氯化钠中，我们似乎并没有找到氯化钠分子。钠原子和氯原子是以相等的数目，相同的距离交替排列着，就如同一个有规则的象棋棋盘。”[1]这一观点遭到了化学家亨利·阿姆斯特朗（Henry Armstrong）的强烈反对。阿姆斯特朗一直认为氯化钠由分子构成，在其分子中，氯原子和钠原子应该是紧紧挨在一起的。
棋盘一样的氯化钠二维晶体结构（绿球：氯离子；紫球：钠离子）[2]为了说明他们间的分歧，我们不妨再次回到透明大楼里士兵方阵那个例子。这次我们把钠原子比喻成男士兵，氯原子比喻成女士兵。如果按照布拉格父子的实验结果，那么每个楼层方阵里都是一位男士兵，一位女士兵交替站着。如果按照阿姆斯特朗的观点，那么每个楼层方阵里的男女士兵都紧紧拥抱在一起站着。固执的阿姆斯特朗甚至在《自然》期刊上指名道姓地对布拉格父子的观点进行了反驳，并且措辞异常激烈。他在论文中说：“真的是错到哪里去了都不知道！我不管 X 射线物理学是什么，但是化学既不是国际象棋也不是几何图形……科学是追求真相，现在是时候让化学家们来负责化学工作了，以免不知道的新手们被你们这些假权威所误导：至少要教新手们更多的事实，而不是什么象棋棋盘。”[3]科学确实是追求真相，但是追求真相的方式归根结底还是要摆事实，讲证据。像阿姆斯特朗这种缺乏证据的观点陈述，显然起不到有效反驳的作用。事实上，证明氯化钠不是分子的实验证据并不只有布拉格父子的晶体结构。比如，纯水不导电，但是氯化钠水溶液是导电的，这说明氯化钠在水中溶解后便电离出了钠离子和氯离子，而不是以氯化钠分子的形式存在[4]。再比如，相同摩尔浓度的氯化钠溶液与蔗糖溶液相比，渗透压几乎提升了一倍。这充分说明氯化钠溶液里的粒子数量几乎是蔗糖溶液的二倍[5]，而这种情况只可能是因为氯化钠中的氯原子与钠原子单独存在。这些证据都充分显示，布拉格父子的观点没有错误——氯化钠中不存在分子。向大分子物质进军在证明“氯化钠不是分子”的同时，一个新的挑战出现在了布拉格父子面前。那就是“大分子物质的晶体该如何解析？”大分子物质与离子、原子最大的区别就在于：它有自己的形状。它不再像之前的原子或离子晶体那样，最小单位可以被近似地看作是一个点。解析原子或离子晶体的结构，由于最小单位是一个点，我们只要解出点与点之间的距离就够了。而如果要解析大分子物质的晶体结构，就必须在解出分子间距离的同时，还要解出大分子的形状。这个概念也可以用那个透明大楼里的士兵方阵来理解。其实把一个粒子直接比喻为一位士兵并不那么准确。因为粒子有自己的形状，它们并不一定是一个人形，长得像士兵。比如原子和离子，它们就是球形的，如果要比喻准确，那就只能把楼里面所有的士兵都替换成球。这种情况比较简单，不同的原子和离子间的差别无非就是球的大小不一样。大一点的我们可以想象成篮球或足球，小一点的我们可以想象成高尔夫球或乒乓球。我们只要解出这些球与球的上下、左右、前后之间的距离，那么整个晶体结构也就解开了。但是分子不一样，分子可不是一个简单的球。如果是水分子的晶体，那我们就得把那栋楼里的士兵都替换成一个个米老鼠的脑袋。如果是双环己烷（bicyclohexyl）分子的晶体，那我们就得把那栋楼里的士兵都替换成一辆辆自行车。就拿水分子来举例，我们可以想象一下，如果我们只解出水分子与水分子上下、左右、前后之间的距离，却没有解出它的形状是一个米老鼠的脑袋，那最终我们还是无法破解水分子的结构。显然，要解析分子的形状，仅仅依靠布拉格法则是不够的。这时候，父亲亨利·布拉格就表现出了他作为一名物理学家与数学家非凡的洞察力。在布拉格父子获得诺奖的同一年，父亲其实就已经开始思考解析大分子物质晶体结构的方法。
图：霍奇金正在解析维生素 B12 的结构（左）；后人所作漫画（右）[13]在化学家们分析化学物质结构的同时，生物学家也没有闲着。当时的生物学家都迫切地期望能够利用 X 射线晶体衍射技术来解析 DNA 和蛋白质的结构。但是这些生物大分子实在太大太复杂了。首先，这些生物大分子不可能在自然条件下形成结晶。其次，就算能够获得清晰的 X 射线衍射图，想要通过数学计算来获得生物大分子的结构，耗费的时间都得用年为单位来计算。尽管困难重重，但这仍然阻止不了生物学家们的各种尝试。1938 年，英国的分子生物学家威廉·阿斯特伯里（William Astbury）和晶体学家弗洛伦斯·贝尔（Florence Bell）选取了结构相对有规则的小牛胸腺 DNA 纤维进行 X 射线衍射实验，当时他们得到的衍射图其实已经能够看到 DNA 的螺旋结构了，不过遗憾的是，他们俩人因为观点不合，无奈终止了合作[14][15]。DNA 的双螺旋结构最终由沃森和克里克成功解析，并于 1962 年获得了诺贝尔医学奖[16]。
图：阿斯特伯里与贝尔，以及他们拍摄的 DNA 纤维 X 射线衍射图[17]蛋白质虽然不能在天然条件下形成晶体，但自从詹姆斯·萨姆纳（James Sumner）于 1926 年证明了蛋白质可以在人工条件下结晶后[18]，生物学家们就开始对各种各样的蛋白质进行人工结晶和 X 射线衍射实验。当时的生物学家都认为，只要能够获得蛋白质的结晶和 X 射线的衍射数据，那即使花再长的时间计算，都是值得的。
图：氯化钾与核糖体的比较[33]真正的庞然大物然而，开篇提到的法国斯特拉斯堡大学的尤苏波夫教授却一直默默地研究着结构更为复杂的蛋白质复合体——真核生物核糖体。他从上世纪 80 年代开始，花了约 30 年的工夫，先后有 15 名生物学家参与，终于在 2010 年成功地解析了真核生物酵母的核糖体结构。这项研究结果最终由亚当博士等人发表在了 2011 年的《科学》期刊上[34]。据尤苏波夫教授和亚当博士本人的描述：为了获得理想的 X 射线衍射图，他们几乎用尽了所能想到的任何办法，包括探讨各种人工结晶的条件，更改 X 射线的强度与曝光时间，探讨晶体旋转速度与幅度等等。最后他们融合了 13 个晶体的数据，计算并分析了几万张 X 射线衍射图，终于获得了分辨率为 0.3 纳米的酵母核糖体结构。在这个分辨率之下，几乎所有的氨基酸侧链都能被看得清清楚楚。这个巨大的细胞机器包含了 79 个蛋白质、5600 个核苷酸。分子质量大约为 330 万道尔顿[35]。这也是目前用 X 射线衍射技术解析出来的最大的生物大分子了。可惜的是，核糖体的结构解析已经拿过一次诺奖了，尤苏波夫教授想要再拿一次就变得十分困难。不过这并不影响他 2012 年获得晶体学领域的最高荣誉奖——格雷戈里·阿米诺夫奖[36]。
图：X 射线结晶衍射学家图谱[33]星星之火，可以燎原X 射线晶体衍射技术从 100 年前的布拉格父子处发芽生根，如今已经长成了一棵参天大树，其中相关的诺贝尔奖获得者就有 23 人[37][38]。目前人类利用电子同步加速器所产生的 X 射线，与当年布拉格父子用的 X 射线相比，其强度已经提高了 10 亿倍[39]。上个世纪，科学家们需要花十几年甚至几十年来解开一个蛋白质的结构。而如今在蛋白质结构数据库 protein databank（pdb）中，平均每年都会新增 9000 个蛋白质结构[40]。这些蛋白质结构，将会被广泛应用于生物体中的各种机理研究以及药物开发等等。如果你听过我们《环球科学有故事》的《丙肝末日已至》节目，那你一定对其中特效药的开发有印象，它们就是 X 射线晶体衍射学的应用。这短短百年的历史，呈现给我们的是从物理理论到生物应用的一次史诗级对接。事实上，除了生物学以外，它还被运用到了各种科学领域，包括：化学、地质学、环境学、材料学等等。甚至美国航空航天局 NASA 在 2012 年的“好奇号”火星探测器上搭载了一台名为“开敏”（CheMin）的 X 射线衍射仪。承载着这一百多年无数科学家智慧的“开敏”，正代表着人类，探索着地球以外的晶体结构[41]。就像伦琴没有料到自己发现的 X 射线可以用来看晶体结构一样，布拉格父子也没有料到，他们留下的布拉格法则将带领人类探索更多的未知。
图：“开敏”（CheMin）和它拍下的第一张地外 X 射线衍射图[41]信源[1]https://www.nature.com/articles/120410a0.pdf[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Crystal#/media/File:Crystal_facet_formation.svg[3]https://www.nature.com/articles/120478b0.pdf[4]https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja02205a001[5]https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/RP/C4RP00010B#!divAbstract[6]http://m.dingjisc.com/news/5rC055qE5YiG5a2Q57uT5p6E5byP.html[7]https://j.17qq.com/article/surqeweax.html[8]https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.1915.0009[9]https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspa.1929.0083[10]https://en.wikipedia.org/wiki/Dorothy_Hodgkin[11]https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Model_of_the_Structure_of_Penicillin,_by_Dorothy_Hodgkin,_Oxford,_c.1945.jpeg[12]https://en.wikipedia.org/wiki/Dorothy_Hodgkin[13]https://medium.com/sci-illustrate-stories/dorothy-hodgkin-2b27d4f1adc1[14]https://www.nature.com/articles/141747b0[15]http://www.bshs.org.uk/florence-bell-the-other-dark-lady-of-dna[16]https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleic_acid_double_helix[17]https://www.youtube.com/watch?v=gBxZVF3s4cU[18]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1946/sumner/lecture/[19]https://www.issnationallab.org/blog/growing-high-quality-crystals-in-microgravity/[20]https://www.nature.com/articles/185422a0[21]https://www.nature.com/milestones/milecrystal/full/milecrystal12.html[22]https://www.rcsb.org/structure/1vxa[23]https://www.rcsb.org/structure/2d5x[24]https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/perutz-lecture.pdf[25]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1962/summary/[26]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1988/summary/[27]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1997/summary/[28]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2003/summary/[29]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2006/summary/[30]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2009/summary/[31]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2012/summary/[32]https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-chemistryprize2009-1.pdf[33]https://www.youtube.com/watch?v=a-jE7BM902Q[34]https://science.sciencemag.org/content/334/6062/1524[35]https://www.afc.asso.fr/l-association/temoignages/marat-yusupov-et-adam-ben-shem[36]https://fr.wikipedia.org/wiki/Marat_Yusupov[37]https://febs.onlinelibrary.wiley.com/cms/asset/f9902915-dba9-4c2b-8e77-c147eadf0de3/febs12796-fig-0001-m.jpg[38]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25416941/[39]https://iopscience.iop.org/article/10.3367/UFNe.2018.10.038435[40]https://www.rcsb.org/stats/growth/growth-xray[41]https://en.wikipedia.org/wiki/CheMin
