一個近在眼前的重大突破，卻被化學家忽視多年

對於分子科學家來說，掌握原子間是如何相連對他們的研究是非常重要的。例如當製藥公司需要研發新的藥物，或驗證藥物的成分和純度時，都離不開對分子的化學結構的了解。但是，大多數識別化學結構的技術都是間接的，這就像是你想要一個人的照片，卻只能獲得他的指紋、一幅素描畫，或者牙齒記錄一樣。

在一項新的研究中，兩個獨立的研究小組運用電子衍射技術，以前所未有的速度繪製出了抗生素、激素以及其他化合的化學結構。傳統的技術可能需要幾個月到幾年的時間才能確定的結構，現在只需要30分鐘到一天的時間便可做到。這個方法有助於法醫化學家和體育官員更快地對違禁藥物進行識別，並加速製藥商找到新的藥物。

化學家Donna Huryn表示，“我已經很久沒有對化學領域的某個發現感到如此興奮。”

探測分子結構的歷史

幾十年來，科學家一直使用一種被稱為X射線晶體學的技術來推斷分子的化學結構。

首先，科學家需要誘導分子結晶，然後用X射線轟擊晶體——相同的分子周期性堆疊起來形成的規則結構，X射線在遇到晶體中的原子後會反彈，發生所謂的X射線衍射，一個特殊的探測器可以記錄下衍射後的X射線圖案。接下來，科學家用軟體分析衍射圖案，並計算出分子的結構。

然而，X射線衍射只能作用於較大的晶體（至少有一個維度的尺寸不小於50微米），生成大的晶體卻常常是一個耗時數周甚至數月的艱苦過程。而且，有些分子根本就很難結晶，不可能用這種技術分析它們的化學結構。

一種替代方法是用電子束代替X射線。對於尺寸大約為100納米的晶體，X射線大多會繞過物質，而電子更容易從物質上反彈。因此，可以用電子衍射來分析其分子結構。這樣大小的晶體是肉眼看不見的，但是對於瓶裝的化學藥品，這種方法卻要容易得多。

利用電子衍射技術繪製分子結構並不是什麽新鮮的想法。在2007年到2008年的時候，晶體學家開發了第一種利用電子衍射自動檢測分子三維結構的方法。在此之前，科學家得費力地將多個二維衍射圖樣合並在一起，才能得到這種三維結構。

最初，電子束衍射技術主要用於無機結構，因為它們不像有機分子那樣容易受輻射影響。到了2013年，加州大學洛杉磯分校的結構生物學家Tamir Gonen開發了一種叫做MicroED（微電子衍射）的電子衍射技術，可以應用於蛋白質等生物大分子。2017年的諾貝爾化學獎更是授予了低溫電子顯微鏡技術，利用這項技術，科學家能夠繪製出含有數十萬個原子的蛋白質的結構。

○使用低溫電子顯微技術可以確定複雜蛋白質分子的原子組成。（左）控制晝夜節律的蛋白質複合物，（中）讀取耳朵中的壓力變化，從而使我們能夠聽到的傳感器 （c）寨卡病毒。| 圖片來源：nobelprize.org

最新發表的兩篇證明了，更小的有機分子結構也可通過電子衍射技術來進行分析。雖然這樣的操作並非第一次實現，但新研究的一項重要突破在於，它展示了這種分析是多麽高速而簡便。

舊部件組合成的新技術

第一篇論文10月16日發表於德國期刊《應用化學·國際版》上，在這篇文章中，瑞士Paul Scherrer研究所的晶體學家Tim Grune長官的研究小組報告稱，他們創造了一種設備原型，可以利用電子顯微鏡的電子束與兼容的探測器來發現小分子的結構。電子衍射圖樣的分析則是利用已經用於X射線晶體學的軟體。“一切都是由以前就存在的部件組成的，實際上都是系統的平穩集成。”Grune說道。

研究小組利用這個裝置，從膠囊裡的粉末形成的微小晶體中，找到了止痛藥對乙酰氨基酚的結構。這種晶體只有幾微米長，比X射線衍射能夠分析的尺寸小得多。

○分析黃體酮分子結構的整個過程大約需要30分鐘。從一瓶數十年歷史的黃體酮中提取的樣本（左），應用於奶酪狀的樣品容器（左中），在電子轟擊晶體樣本不到在三分鐘時間後，產生衍射圖樣（右中），這可以被轉化為晶體分子的化學結構（右）。| 圖片來源：C.G. JONES ET AL/CHEMRXIV.ORG 2018

在10月17日發表於ChemRxiv上的第二篇論文中，Gonen的小組採用MicroED技術來解決小分子而非蛋白質的結構問題。Gonen說，其中的轉變是微不足道的。主要的調整涉及到樣品的製備——需要小心處理脆弱的蛋白質，在這種情況下，他所要做的就是磨碎藥粉。

研究小組利用這種改良版的MicroED技術探測藥物粉末的結構，包括止痛藥布洛芬和抗癲癇藥物卡馬西平。這些晶體的寬度約為100納米——比X射線結晶學中使用的小10億倍——新的技術可以在30分鐘內確定這些晶體的結構。

○研究人員利用新技術識別出一種物質的化學結構，繪製出了抗生素硫鏈絲菌肽的分子結構（碳：灰色，氮：藍色，氧：紅色，硫：黃色）。整個過程只需一天時間。| 圖片來源：C.G. JONES ET AL/CHEMRXIV.ORG 2018

科學家感歎，在蛋白質和其他領域廣泛使用的技術，卻沒有被有機化學家廣泛採用，一切都早已擺在眼前，卻直到今天才提出如此美妙的解決方案，這真是令人驚訝。

Gonen將這種疏漏歸咎於各學科之間缺乏溝通。他說，只有在自己開始與化學家交談時才意識到，化學家在製備大的晶體來分析小分子的化學結構時遭遇了困難，這讓他意識到，自己有一個解決辦法。“作為一名蛋白質結晶學家，我從未認真考慮過小分子，對我們來說，小分子是我們試圖擺脫的東西。”

驚喜與限制

電子晶體學的一個明顯應用是為藥物開發指明潛在的候選對象。但Gonen表示，當快速識別物質能夠發揮至關重要的作用時，這項技術可能還會應用於取證等許多領域。

這項技術已經引起了極大的轟動，但它也有一些局限性。例如，具有不同化學效應的鏡像分子，其三維結構完全相同，但是要利用電子衍射來區分這些結構，卻非常具有挑戰性。區別鏡像結構需要進一步開發分析軟體。

目前，研究人員得依靠電子顯微鏡來產生電子束，但是這非常昂貴，而且電子顯微鏡包括透鏡等組成部分，這些對於電子衍射來說都是不必要的。此外，電子顯微鏡也沒有被優化到與分析中使用的其他設備協調工作。

Gonen樂觀地認為，他的工作將鼓勵硬體製造商開發專門用於電子晶體學的新設備。有了特製的設備，“只需按一下按鈕，就能解決結構問題”。

參考鏈接：

https://www.sciencenews.org/article/zapping-substances-electrons-can-quickly-map-chemical-structures

T. Gruene et al. Rapid structure determination of microcrystalline molecular compounds using electron diffraction. Angewandte Chemie. Published online October 16, 2018. doi:10.1002/anie.201811318.

C.G. Jones et al. The CryoEM method MicroED as a powerful tool for small molecule structure determination. ChemRxiv:7215332.v1. Posted October 17, 2018.