令化學(xué)家興奮的快速探測結(jié)構(gòu)方法

編譯 之涵

2018年10月中旬，網(wǎng)上發(fā)表的兩篇論文描述了一種利用電子束快速揭示原子如何排列的技術(shù)，可以在幾分鐘（而非幾周）內(nèi)推斷出小有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)（如藥物分子），該技術(shù)被稱為三維電子衍射技術(shù)。

了解原子在分子中的排列方式，對于理解物質(zhì)的功能很有必要。例如，致力于新藥開發(fā)的化學(xué)家會(huì)依據(jù)這種結(jié)構(gòu)來了解藥物作用于身體的機(jī)理以及應(yīng)如何調(diào)整藥物，使其更有效地與治療目標(biāo)結(jié)合，減少副作用。

數(shù)十年來，一種被稱為X射線衍射的技術(shù)被用來探測分子結(jié)構(gòu)。首先，科學(xué)家需要誘導(dǎo)分子結(jié)晶；然后用X射線照射晶體，晶格結(jié)構(gòu)會(huì)使X射線發(fā)生衍射，探測器記錄由此產(chǎn)生的圖案；之后，使用軟件來分析這種圖案，并計(jì)算出這種分子的結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)存在的問題是X射線衍射只適用于較大的晶體，它們可能需要很長時(shí)間才能形成。而有些分子一開始就很難結(jié)晶，也許根本不可能用這種方式進(jìn)行分析。

一些難以培養(yǎng)的晶體

另一種方法是用電子束代替X射線，這樣較小的晶體也能產(chǎn)生衍射圖樣。德國美因茨大學(xué)和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的晶體學(xué)家分別在2007年和2008年開發(fā)了第一種利用電子衍射自動(dòng)檢測分子三維結(jié)構(gòu)的方法。起初，這項(xiàng)技術(shù)主要用于無機(jī)分子結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不像有機(jī)分子那樣會(huì)受輻射的影響。2013年，加州大學(xué)洛杉磯分校的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家塔米爾·葛農(nóng)（Tamir Gonen）開發(fā)了一種名為MicroED的電子衍射方法，該方法可用于蛋白質(zhì)等大型生物分子。

葛農(nóng)團(tuán)隊(duì)和另一個(gè)來自瑞士的研究小組在最近的兩篇論文中證實(shí)，電子衍射也可以用來推斷小有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)。

2018年10月16日，發(fā)表于《應(yīng)用化學(xué)國際版》的第一篇論文中，瑞士保羅謝勒研究所的晶體學(xué)家蒂姆·格林（Tim Gr ü ne）介紹了一種利用電子顯微鏡發(fā)出的光束和兼容探測器來探測小分子結(jié)構(gòu)的原型裝置。這種裝置利用已經(jīng)在X射線衍射中使用的軟件對圖樣進(jìn)行了分析。格林表示：“所有組成部分都是以前就有的，現(xiàn)在只是把它們重新進(jìn)行整合。”研究小組利用這個(gè)裝置來探測止痛藥撲熱息痛的結(jié)構(gòu)，它的晶體只有幾微米，比那些可以通過X射線衍射進(jìn)行分析的晶體要小得多。

2018年10月17日的第二篇論文中，葛農(nóng)團(tuán)隊(duì)采用經(jīng)過調(diào)整的MicroED技術(shù)來推斷小分子結(jié)構(gòu)而不是大分子蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。葛農(nóng)說，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變“微不足道”，主要通過調(diào)整樣本來實(shí)現(xiàn)，要做的就是將藥粉磨碎。研究小組揭示了布洛芬和抗癲癇藥物卡馬西平等藥物粉末的結(jié)構(gòu)，這些晶體約為100納米——比X射線衍射進(jìn)行分析的晶體小10億倍——它們的結(jié)構(gòu)在30分鐘內(nèi)就能分辨出來。

多倫多大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家約翰·魯賓斯坦（John Rubinstein）說，令人驚訝的是，這種之前已經(jīng)使用于其他領(lǐng)域的技術(shù)還沒有被有機(jī)化學(xué)家廣泛采用。葛農(nóng)將這種疏忽歸結(jié)為學(xué)科之間缺乏溝通。當(dāng)他與化學(xué)家交談時(shí)，他才了解到他們在培養(yǎng)用于分析的小分子晶體過程中舉步維艱，他意識(shí)到自己可以為他們提供解決方案。對于這些化學(xué)家來說，這種方法可能是革命性的。

電子衍射還可以用于其他領(lǐng)域，如遴選藥物開發(fā)的潛在候選物，在法醫(yī)領(lǐng)域快速確認(rèn)某種物質(zhì)等。

這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)激起了人們很大的興趣，但它也有一些局限性。例如，一些分子的三維結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生可能具有不同化學(xué)效用的鏡像分子，目前電子衍射難以區(qū)分這些鏡像結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步開發(fā)分析軟件。

格林樂觀地認(rèn)為，他的工作將鼓勵(lì)硬件制造商開發(fā)專為電子衍射設(shè)計(jì)的新設(shè)備。目前，研究人員往往依賴可產(chǎn)生電子束的電子顯微鏡，但它們很昂貴，還包括一些不必要的元件，如透鏡。它們也沒有得到優(yōu)化，無法與分析設(shè)備協(xié)同工作。他說：“如果有了特制設(shè)備，只需按下按鈕，就能解決結(jié)構(gòu)問題。”

資料來源 Nature