X射線： 開啟現(xiàn)代生物學的鑰匙

葉盛

說起X射線，人們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。其實X射線在諸多科研和技術(shù)領域都有著重要的應用：比如在機場和地鐵站的行李安檢儀，建筑和工業(yè)構(gòu)件用的探傷儀，都是利用了X射線的穿透力；而材料科學領域則利用強大的X射線來照射新型材料，獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息；古生物研究可以利用X射線獲得化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；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信息。

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(nèi)部結(jié)構(gòu)的工具，甚至還能夠揭示分子和原子層次的生命信息。實際上，如果沒有X射線的幫助，就沒有現(xiàn)代生物學的發(fā)展，人類的醫(yī)藥健康水平也要倒退幾十年。X射線究竟是如何發(fā)揮如此重要作用的呢？這種缺它不可的關鍵技術(shù)就是X射線衍射。

自從倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)了X射線之后，這種性質(zhì)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(xiàn)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于在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。

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(jīng)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(shù)終于與生命科學走到了一起。

在小布拉格的領導下，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(zhì)X射線晶體學的研究。經(jīng)過不懈努力，解決了眾多技術(shù)難題之后，肯德魯于1958年解析得到了肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)，佩魯茲于次年解析得到了血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)。兩人因此分享了1962年的諾貝爾化學獎。

如今，全球蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank）中已經(jīng)存入了超過14萬個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且這一數(shù)字仍舊在快速增長。得益于這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，我們才切切實實地“看”到了蛋白質(zhì)長什么樣子，從而可以在分子乃至原子的水平上分析蛋白質(zhì)的作用機制，理解生命這臺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(zhì)的結(jié)構(gòu)，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)進行有針對性的藥物小分子設計，讓藥物與蛋白質(zhì)具有更強的相互作用，從而獲得最佳的藥效。這一方法不同于之前幾十年誤打誤撞式的藥物研發(fā)，被稱為基于結(jié)構(gòu)的理性藥物設計。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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于生命科學有著重大意義的發(fā)現(xiàn)，那就是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立。這項工作與X射線衍射也有著不可忽視的聯(lián)系。1951年夏天，詹姆斯·沃森（James Watson）作為博士后加入了肯德魯?shù)难芯拷M，并與組里的博士研究生弗朗西斯·克里克（Francis Crick）一起開始了DNA結(jié)構(gòu)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）對于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(jié)構(gòu)，并依據(jù)X射線衍射提供的螺距等關鍵數(shù)值，結(jié)合化學研究提供的一些信息，最終構(gòu)建出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)揭示了基因復制遺傳的物質(zhì)本質(zhì)，讓人類對于DNA和基因的認識精準到了原子層次，為后來的PCR、分子克隆等一系列分子遺傳學操作奠定了物質(zhì)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(xiàn)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后，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(yī)療的新時代。如果沒有X射線衍射為DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)提供的幫助，那么這一切都將是不可能的。

實際上，X射線衍射技術(shù)對于生命科學的幫助恰恰是一個縮影，體現(xiàn)了近百年來生命科學發(fā)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(xiàn)代生命科學與物理學之間解不開的羈絆。