令化学家兴奋的快速探测结构方法

编译 之涵

2018年10月中旬，网上发表的两篇论文描述了一种利用电子束快速揭示原子如何排列的技术，可以在几分钟（而非几周）内推断出小有机分子的结构（如药物分子），该技术被称为三维电子衍射技术。

了解原子在分子中的排列方式，对于理解物质的功能很有必要。例如，致力于新药开发的化学家会依据这种结构来了解药物作用于身体的机理以及应如何调整药物，使其更有效地与治疗目标结合，减少副作用。

数十年来，一种被称为X射线衍射的技术被用来探测分子结构。首先，科学家需要诱导分子结晶；然后用X射线照射晶体，晶格结构会使X射线发生衍射，探测器记录由此产生的图案；之后，使用软件来分析这种图案，并计算出这种分子的结构。这种技术存在的问题是X射线衍射只适用于较大的晶体，它们可能需要很长时间才能形成。而有些分子一开始就很难结晶，也许根本不可能用这种方式进行分析。

一些难以培养的晶体

另一种方法是用电子束代替X射线，这样较小的晶体也能产生衍射图样。德国美因茨大学和瑞典斯德哥尔摩大学的晶体学家分别在2007年和2008年开发了第一种利用电子衍射自动检测分子三维结构的方法。起初，这项技术主要用于无机分子结构，这些结构不像有机分子那样会受辐射的影响。2013年，加州大学洛杉矶分校的结构生物学家塔米尔·葛农（Tamir Gonen）开发了一种名为MicroED的电子衍射方法，该方法可用于蛋白质等大型生物分子。

葛农团队和另一个来自瑞士的研究小组在最近的两篇论文中证实，电子衍射也可以用来推断小有机分子的结构。

2018年10月16日，发表于《应用化学国际版》的第一篇论文中，瑞士保罗谢勒研究所的晶体学家蒂姆·格林（Tim Gr ü ne）介绍了一种利用电子显微镜发出的光束和兼容探测器来探测小分子结构的原型装置。这种装置利用已经在X射线衍射中使用的软件对图样进行了分析。格林表示：“所有组成部分都是以前就有的，现在只是把它们重新进行整合。”研究小组利用这个装置来探测止痛药扑热息痛的结构，它的晶体只有几微米，比那些可以通过X射线衍射进行分析的晶体要小得多。

2018年10月17日的第二篇论文中，葛农团队采用经过调整的MicroED技术来推断小分子结构而不是大分子蛋白质的结构。葛农说，实现这一转变“微不足道”，主要通过调整样本来实现，要做的就是将药粉磨碎。研究小组揭示了布洛芬和抗癫痫药物卡马西平等药物粉末的结构，这些晶体约为100纳米——比X射线衍射进行分析的晶体小10亿倍——它们的结构在30分钟内就能分辨出来。

多伦多大学结构生物学家约翰·鲁宾斯坦（John Rubinstein）说，令人惊讶的是，这种之前已经使用于其他领域的技术还没有被有机化学家广泛采用。葛农将这种疏忽归结为学科之间缺乏沟通。当他与化学家交谈时，他才了解到他们在培养用于分析的小分子晶体过程中举步维艰，他意识到自己可以为他们提供解决方案。对于这些化学家来说，这种方法可能是革命性的。

电子衍射还可以用于其他领域，如遴选药物开发的潜在候选物，在法医领域快速确认某种物质等。

这项技术已经激起了人们很大的兴趣，但它也有一些局限性。例如，一些分子的三维结构会产生可能具有不同化学效用的镜像分子，目前电子衍射难以区分这些镜像结构，还需要进一步开发分析软件。

格林乐观地认为，他的工作将鼓励硬件制造商开发专为电子衍射设计的新设备。目前，研究人员往往依赖可产生电子束的电子显微镜，但它们很昂贵，还包括一些不必要的元件，如透镜。它们也没有得到优化，无法与分析设备协同工作。他说：“如果有了特制设备，只需按下按钮，就能解决结构问题。”

资料来源 Nature