為什麽說X射線是開啟現代生物學的鑰匙？

撰文/葉盛（中國科學院生物物理研究所）

本文節選自《知識就是力量》雜誌

說起X射線，你肯定首先會想到它是一種穿透力強大的隱形射線，能夠照穿人體，留下骨骼的影像。

（圖片來源/360圖片）

也能想到：比如在機場和地鐵站的行李安檢儀，建築和工業構件用的探傷儀，材料科學領域利用強大的X射線來照射新型材料，獲取其內部結構資訊；甚至古生物研究利用X射線獲得化石的內部結構；宇宙中遠道而來的X射線則能為我們帶來黑洞等神秘天體的資訊。但是，當X射線遇見生命科學，會產生什麽樣的奇妙組合呢？

X射線衍射：當物理遇見生物

在生命科學領域，X射線不僅僅是探查生物體內部結構的工具，甚至還能夠揭示分子和原子層次的生命資訊。實際上，如果沒有X射線的幫助，就沒有現代生物學的發展，人類的醫藥健康水準也要倒退幾十年。X射線究竟是如何發揮如此重要作用的呢？這種缺它不可的關鍵技術就是X射線衍射。

自從倫琴於1895年發現了X射線之後，這種性質未知的神秘射線便成了科學界的新寵兒，吸引了眾多科學家投身這方面的研究。其中就包括英國物理學家威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）和他的兒子威廉·勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg）。1912年，剛剛上研究生一年級的小布拉格深入研究了X射線照射晶體的衍射現象，提出了描述該過程的布拉格方程。1915年，年僅25歲的小布拉格和他的父親由於在X射線衍射理論方面的貢獻分享了當年的諾貝爾物理學獎，成為諾獎歷史上絕無僅有的父子檔。

1905年布拉格一家的合影（左一為小布拉格，左四為老布拉格）

1938年，小布拉格被提名為劍橋大學卡文迪許教授，負責管理在物理學領域赫赫有名的卡文迪許實驗室。當時，英國效仿美國，在基礎科學研究方面推行國家實驗室模式，分流了大量的經費和人員。面對不利局面，小布拉格決定在卡文迪許實驗室開展更多其他學科與物理學的交叉科學研究，其中就包括生命科學。就這樣，X射線衍射技術終於與生命科學走到了一起。

在小布拉格的長官下，卡文迪許實驗室由馬克斯·佩魯茲（Max Perutz）和約翰·肯德魯（John Kendrew）在1947年成立了分子生物學分部，開展了蛋白質X射線晶體學的研究。經過不懈努力，解決了眾多技術難題之後，肯德魯於1958年解析得到了肌紅蛋白的三維結構，佩魯茲於次年解析得到了血紅蛋白的三維結構。兩人因此分享了1962年的諾貝爾化學獎。

蛋白質結構圖

如今，全球蛋白質數據庫（Protein Data Bank）中已經存入了超過14萬個蛋白質結構，並且這一數字仍舊在快速增長。得益於這些蛋白質結構資訊，我們才切切實實地“看”到了蛋白質長什麽樣子，從而可以在分子乃至原子的水準上分析蛋白質的作用機制，理解生命這台自動化機器的運作原理。更重要的是，了解了疾病相關蛋白質的結構，就可以根據結構進行有針對性的藥物小分子設計，讓藥物與蛋白質具有更強的相互作用，從而獲得最佳的藥效。這一方法不同於之前幾十年誤打誤撞式的藥物研發，被稱為基於結構的理性藥物設計。

DNA雙螺旋結構模型：奠定分子遺傳學基礎

在小布拉格治理下的卡文迪許實驗室還誕生了另一項對於生命科學有著重大意義的發現，那就是DNA雙螺旋結構模型的建立。這項工作與X射線衍射也有著不可忽視的聯繫。1951年夏天，詹姆士·沃森（James Watson）作為博士後加入了肯德魯的研究組，並與組裡的博士研究生弗朗西斯·克裡克（Francis Crick）一起開始了DNA結構的研究。1953年，他們從倫敦國王學院X射線晶體學家羅莎琳·富蘭克林（Rosalind Franklin）對於DNA所拍攝的X射線衍射照片中得到啟示，想到了DNA可能是雙螺旋結構，並依據X射線衍射提供的螺距等關鍵數值，結合化學研究提供的一些資訊，最終構建出了DNA的雙螺旋結構模型。

DNA雙螺旋結構模型

DNA的雙螺旋結構揭示了基因複製遺傳的物質本質，讓人類對於DNA和基因的認識精準到了原子層次，為後來的PCR、分子克隆等一系列分子遺傳學操作奠定了物質基礎。今天，基因工程操作在任何一個生物學實驗室中都是習以為常的事情，成為了現代生命科學研究的基礎；在基因測序方面，人類基因組測序完成之後，越來越多的生物完成了全基因組測序；與此同時，單人基因組測序的成本也大大降低，開啟了精準醫療的新時代。如果沒有X射線衍射為DNA結構的發現提供的幫助，那麽這一切都將是不可能的。

單人基因組測序成本大大降低，開啟精準醫療新時代

實際上，X射線衍射技術對於生命科學的幫助恰恰是一個縮影，體現了近百年來生命科學發展的一個趨勢：要回答一個生命科學問題，往往要追根溯源，最終到達分子和原子的層次，而在這個逐漸走向微觀的過程中，唯有通過物理學的幫助才能達到目標。這是現代生命科學與物理學之間解不開的羈絆。