確定化學(xué)結(jié)構(gòu)的金標(biāo)準(zhǔn)一直是x光結(jié)晶學(xué)

在化學(xué)中，結(jié)構(gòu)主宰一切，因?yàn)樗鼪Q定了分子的行為。然而，用于繪制藥物、激素和維生素等有機(jī)小分子結(jié)構(gòu)的兩種標(biāo)準(zhǔn)方法都存在缺點(diǎn)。最近，兩個(gè)研究小組報(bào)告說，他們采用了第三種技術(shù)，這種技術(shù)通常用于繪制大蛋白質(zhì)，以確定小有機(jī)分子的精確形狀。這項(xiàng)新技術(shù)對(duì)難以檢測(cè)的小樣本有效，速度極快，非常簡(jiǎn)單。

“我完全被這項(xiàng)技術(shù)震驚了。”美國(guó)斯坦福大學(xué)的化學(xué)家卡羅琳貝托齊說：“你可以從一個(gè)只有一粒塵埃百萬分之一大小的樣本中獲得這些結(jié)構(gòu)。這個(gè)事實(shí)太棒了。這是化學(xué)領(lǐng)域的新的一天。”

確定化學(xué)結(jié)構(gòu)的金標(biāo)準(zhǔn)一直是x光結(jié)晶學(xué)。一束X射線被發(fā)射到含有數(shù)百萬個(gè)分子拷貝的純晶體中。這些分子向一個(gè)方向排列。通過追蹤X射線如何從晶體中的原子反彈，研究人員可以闡明分子中每個(gè)原子的位置。結(jié)晶學(xué)可以使原子位置精確到0.1納米以下?！c硫原子大小相同。

然而，這種技術(shù)在相對(duì)較大且難以制造的晶體中效果最好。加州理工學(xué)院的有機(jī)化學(xué)家布萊恩斯托爾茨說：“真正拖延時(shí)間的是得到晶體。這可能需要幾周、幾個(gè)月甚至幾年。”第二種方法叫做核磁共振(NMR)光譜學(xué)，不需要晶體。它通過干擾分子中原子的磁性行為并跟蹤它們的行為來推斷結(jié)構(gòu)。原子磁行為的變化取決于它的鄰居。然而，核磁共振也需要大量的原材料。同時(shí)，它是間接的，這可能會(huì)導(dǎo)致像藥物這樣的較大分子的繪制錯(cuò)誤。

最新的方法是基于一種叫做電子衍射的技術(shù)。和X射線結(jié)晶學(xué)一樣，這種技術(shù)通過晶體發(fā)射電子束，然后根據(jù)衍射圖確定結(jié)構(gòu)。這特別適用于解決一種蛋白質(zhì)停留在細(xì)胞膜上的結(jié)構(gòu)問題。在這種情況下，研究人員首先形成微小的二維片狀晶體。這些晶體由“楔入”細(xì)胞的多份蛋白質(zhì)組成。

然而，在許多情況下，生長(zhǎng)蛋白質(zhì)晶體的努力會(huì)出錯(cuò)。研究人員最終得到的是無數(shù)個(gè)堆疊在一起的晶體片，而不是單層薄膜晶體片。它們不能用傳統(tǒng)的電子衍射來分析。同時(shí)，這些晶體對(duì)于x光衍射來說可能太小了。

“我們不知道如何處理這些晶體。”加州大學(xué)洛杉磯分校的電子晶體學(xué)家塔米爾戈寧說。

為此，他的團(tuán)隊(duì)改變了技術(shù)：他們不是從一個(gè)方向向靜態(tài)晶體發(fā)射電子，而是旋轉(zhuǎn)晶體并跟蹤衍射圖像的變化。他們得到的更像是分子計(jì)算機(jī)斷層掃描的結(jié)果，而不是單一的圖像。這使得分析其尺寸僅為X射線結(jié)晶學(xué)所需的十億分之一的晶體結(jié)構(gòu)成為可能。

戈寧說，因?yàn)樗呐d趣在于蛋白質(zhì)，他從未仔細(xì)考慮過在其他東西上嘗試這項(xiàng)技術(shù)。但是今年年初，戈寧從霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的詹妮弗研究園區(qū)搬到了加州大學(xué)洛杉磯分校。在那里，他與同事和加州理工學(xué)院的斯托爾茨組成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)。斯托爾茨想知道同樣的方法是否不僅適用于蛋白質(zhì)，也適用于更小的分子。

簡(jiǎn)短的回答是“是”。在化學(xué)印前服務(wù)器ChemRxiv上，該團(tuán)隊(duì)最近報(bào)告稱，當(dāng)他們將這種方法應(yīng)用于各種樣品時(shí)，幾乎每次都能奏效，達(dá)到的分辨率與X射線結(jié)晶學(xué)相當(dāng)。他們甚至可以得到化合物混合物的結(jié)構(gòu)。還可以觀察到從未正式結(jié)晶過的、剛從化學(xué)提純柱上刮下來的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。只需幾分鐘的樣品制備和數(shù)據(jù)收集，這些結(jié)果就可以很快發(fā)布。更重要的是，一組德國(guó)和瑞士科學(xué)家使用基本相同的技術(shù)發(fā)表了類似的結(jié)果。

瑞士保羅舍勒研究所的電子衍射專家蒂姆格呂內(nèi)說，制藥公司已經(jīng)建立了一個(gè)巨大的晶體化合物庫來尋找潛在的新藥。然而，只有大約1/4~1/3的化合物形成足夠大的晶體用于X射線晶體學(xué)分析。"最新的研究將消除這一瓶頸，并帶來結(jié)構(gòu)研究的爆發(fā)."格呂內(nèi)說。

這將加快在外來植物和真菌的微小樣本中尋找潛在藥物前體的速度。對(duì)于法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室來說，最新的研究將幫助他們快速識(shí)別出現(xiàn)在街頭的最新海洛因衍生物。它甚至可以幫助奧運(yùn)官員更容易地找到極少量的興奮劑。這一切都是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)主宰了一切，現(xiàn)在更容易破譯結(jié)構(gòu)。

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