X射線晶體衍射是人們了解原子世界的利器，這一技術(shù)為人們解析了大量的重要生物學(xué)結(jié)構(gòu)。今年是這一技術(shù)的百年誕辰，本期《自然》（Nature）雜志以特刊形式，介紹了X射線晶體衍射的過去、現(xiàn)在和將來。
 

    1914年，德國科學(xué)家MaxvonLaue因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)晶體中的X射線衍射現(xiàn)象，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這一發(fā)現(xiàn)直接催生了X射線晶體學(xué)。從那以后，研究者們用這一衍射技術(shù)解析了大量復(fù)雜分子的晶體結(jié)構(gòu)，從簡單的礦物、高科技材料（如石墨烯）到病毒等生物學(xué)結(jié)構(gòu)。隨著這一技術(shù)的不斷改進(jìn)，出成果的節(jié)奏也越來越快?，F(xiàn)在蛋白晶體成像的分辨率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了突破，能夠區(qū)分單個(gè)原子。而新X射線源實(shí)現(xiàn)了對(duì)困難蛋白的成像，這些蛋白難以甚至不能形成大晶體。

    VonLauehit的理論是，當(dāng)X射線通過晶體時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，而衍射模式可以體現(xiàn)原子的定位。1912年，VonLauehit及其同事用硫酸銅驗(yàn)證了這一理論。
 

    自1971年以來，全球蛋白數(shù)據(jù)庫（WorldwideProteinDataBank）就在不斷收集蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)收錄了將近十萬個(gè)條目。包括晶體學(xué)開放式數(shù)據(jù)庫COD在內(nèi)的其他數(shù)據(jù)庫，收錄了各種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從礦物質(zhì)、金屬到小生物分子。
 

    隨著成像和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的進(jìn)步，研究人員能夠獲得更細(xì)微的結(jié)構(gòu)信息，解決越來越復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。

    晶體學(xué)百年大事記

    1913：鉆石

    研究者們利用衍射成像技術(shù)，明確了這一著名晶體中碳原子的四面體結(jié)構(gòu)。

    1923：環(huán)六亞甲基四胺（Hexamethylenetetramine）

    首個(gè)成像的有機(jī)分子。

    1925：石英Quartz

    確定這一硅酸鹽礦物的結(jié)構(gòu)，為礦物學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

    1952：DNA

    RosalindFranklin對(duì)DNA進(jìn)行了X射線成像，這一圖像幫助沃森和克里克建立了著名的雙螺旋模型。不過直到1980年，人們才獲得了原子分辨率的DNA結(jié)構(gòu)。

    1958：肌紅蛋白Myoglobin

    首個(gè)成像的蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)中的不規(guī)則折疊令人們非常驚訝。

    1965：溶菌酶Lysozyme

    首個(gè)成像的酶，源自雞蛋清。

    1970：同步加速器

    德國DESY（GermanElectronSynchrotron）的昆蟲肌肉研究，首次使用了同步加速器生成的X射線。這一技術(shù)大大推動(dòng)了晶體學(xué)領(lǐng)域的研究。

    1978：番茄叢矮病毒

    首次在原子水平上成像完整的病毒。這項(xiàng)研究中的發(fā)現(xiàn)，對(duì)人體病原體同樣適用。

    1984：準(zhǔn)晶體Quasicrystals

    首次發(fā)現(xiàn)原子排列“反常”的晶體。

    2000：核糖體

    根據(jù)DNA指令裝配蛋白質(zhì)的重要分子機(jī)器。

    2009：X射線自由電子激光器

    美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線加速器相干光源（LinacCoherentLightSource）投入使用，為成像技術(shù)開辟了新的天地。

    2013：HIV三聚體

    X射線晶體學(xué)成像了HIV與人體細(xì)胞結(jié)合的重要蛋白，解決了長期爭議。

    未來

    人們最希望成像的蛋白包括：幫助編輯信使RNA的剪接體，作為細(xì)胞核守門人的核孔復(fù)合體等等。這些結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)在于，它們都包含數(shù)百種蛋白，導(dǎo)致很難結(jié)晶和成像。也許可以將這些結(jié)構(gòu)分解成小塊進(jìn)行結(jié)晶，然后再把它們拼起來，使用X射線自由電子激光器應(yīng)該能夠有所幫助。