电子束的爆炸会掀翻这个决定结构的巨人吗?

图为霍奇金1945年的青霉素结构模型

资料来源:由伦敦科学博物馆/CC BY-SA 2.0提供

多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin)的青霉素结构是x射线衍射无与伦比的力量的众多历史证明之一,但其他方法将推翻它的桂冠

化学中的工具方法也有生命周期,就像其他任何事情一样。它们被发现和设计到可以广泛使用的程度,然后探索它们的可能性。根据它们的用途和成本,它们可能会成为某一特定领域的每个人都在使用的东西。但总有其他方法和工具,可能会出现一些提供更多信息(或更容易提供信息)的方法,然后曾经是标准的方法开始走向一个更模糊的角落。

几十年前,有机化学曾有一段时期,红外光谱是最强大的可用技术之一。但如今,问题往往是‘我们在某个地方有IR,对吗?我很肯定我们必须这么做。”与此同时,核磁共振仍然是一个强大的工作机器,液相色谱和质谱的结合已经强大到足以把曾经无处不在的薄层色谱板和蘸料放到抽屉的后面——至少在负担得起的实验室里是这样。没有人需要到处寻找LC-MS或NMR机器的最终结果,因为没有人想到它们。

经典的x射线工作很可能最终会显得相当古怪,这是过去人们努力研究的东西

不过,x射线晶体学是一种已经存在很长时间的方法,它提供的结构数据是其他任何方法都无法比拟的。没有人会把他们制造的每一种化合物都通过它来运行,因为你需要质量好的晶体,而这些晶体并不总是那么容易得到。但对于解决结构问题,没有什么能比得上好的x射线数据:它能阻止争论。它对蛋白质结构的扩展直接导致了现代结构生物学,尽管好的蛋白质晶体比小分子晶体更难获得。

然而,x射线时代可能正在过去。这项技术受到来自两个方向的电子束的攻击。从蛋白质的一端,单个蛋白质粒子的冷冻电子显微镜图像可以通过极其聪明的软件组装成可能永远不会结晶的蛋白质和蛋白质复合物的非凡结构。另一个方向是电子衍射,它类似于x射线衍射,但波长要短得多,而且电子束与原子核的相互作用要强烈得多。这种结合意味着电子衍射适用于比任何x射线源都要小得多的晶体。这些晶体可以是蛋白质或小分子晶体,它们甚至可以勉强大到看不见。这种晶体比传统x射线工作所需的晶体容易得多。

这两种技术的硬件和软件都在迅速发展。它们已经进入并将继续进入标准x射线晶体学领域。经典的x射线工作很可能最终会显得相当古怪,这是过去人们努力研究的东西。他们也做了劳动。在机器人技术尚未出现的时代,为一个复杂的结构收集和分析足够好的衍射数据可能要花上几个星期或几个月的时间,其中一些人还因此获得了诺贝尔奖。即使是现在,想要培育出足够大小和质量的蛋白质晶体仍然是一项残酷的、经验主义的艰苦试验、错误、有根据的猜测和纯粹的巫术。那些不得不这样做的人最终会变得怀念它,但这只是因为他们可能已经不再需要做这么多了——这与维护蒸汽机车或用一群马而不是拖拉机耕地是一样的。

我收到了(正如人们所预料的那样)来自x射线晶体学家对这种想法的广泛反应。他们中的一些人已经同意了,而另一些人则积极捍卫这个领域仍然可以提供的东西。但他们都认识到,未来——他们的未来——将大不相同。我认识的所有研究蛋白质的人都在学习低温电子显微镜。不管怎样,电子束的文字是在墙上的。