探索晶体学的百年发展历史

1914年，德国科学家Max von Laue因发现晶体如何衍射X射线而摘得诺贝尔物理学奖桂冠，这一发现直接推动了X射线晶体学的出现。从那时以来，研究人员利用衍射推算出了越来越多复杂分子的晶体结构，从简单矿物到石墨烯等高科技材料，甚至还包括病毒。

随着技术进步，发现的步伐也在加速：每年数以万计的新结构留下影像。上世纪90年代，蛋白质晶体图片的分辨率已经达到能分辨单个原子的临界阈值。近日，《自然》杂志出版特刊，回顾了晶体学的百年辉煌。

百年发展

Von Laue偶然间有了这样一个想法，当X射线穿过一个晶体时，由于原子的存在，它们将发生散射，然后就像拍打海岸的波浪那样互相干扰。在某些地方，一些波会加入到另一些波中，而在另一些地方则可能出现相互抵消。这样一来，衍射图样就能被用于计算那些分散原始X射线的原子的位置。1912年，Von Laue及其同事利用硫酸铜样本证明了这一理论。

1913年，研究人员能够通过衍射图像确定金刚石中碳原子的四面体结构。1923年，科学家制作了首个有机分子(环六亚甲 基四胺)的衍射图像，证实了这种分子也能组成晶体的重复元素。1925年，对石英结构的认知打开了矿物学的大门。

1952年，Rosalind Franklin制作了DNA的X射线图，从而帮助James Watson和Francis Crick创造了著名的双螺旋结构模型。1958年，首个成像蛋白质(肌红蛋白)的不规则褶皱让人们十分惊讶。1970年，同步加速器进入该领域，这些设备使得晶体学迅速繁荣。

1971年以来，世界蛋白质数据库一直致力于收集已解决的蛋白质结构，迄今为止，已经收录了近10万个条目。包括晶体结构数据库(COD)在内的其他数据库收录了从矿物到金属再到生物分子的所有物质的结构。

1978年，首个完整病毒(番茄丛矮病毒)的原子尺度图像问世。1984年，类晶体学悄然出现。2009年，美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的直线性连续加速器光源开始运转，打开了衍射成像新时代。

去年，艾滋病病毒三聚物的X射线晶体图像完成，结束了科学家长期以来对这种蛋白质形状的争论。现在，成像和数据分析技术的进一步发展允许研究人员观察到一些结构的更微观细节，或者处理更复杂的分子。