葉盛

說起X射線，人們首先會想到它是一種穿透力強(qiáng)大的隱形射線，能夠照穿人體，留下骨骼的影像。其實(shí)X射線在諸多科研和技術(shù)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用：比如在機(jī)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(xué)領(lǐng)域則利用強(qiáng)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(yuǎn)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(dāng)物理遇見生物

在生命科學(xué)領(lǐng)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(shí)際上，如果沒有X射線的幫助，就沒有現(xiàn)代生物學(xué)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(guān)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(xué)界的新寵兒，吸引了眾多科學(xué)家投身這方面的研究。其中就包括英國物理學(xué)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(xiàn)分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)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(xué)卡文迪許教授，負(fù)責(zé)管理在物理學(xué)領(lǐng)域赫赫有名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時，英國效仿美國，在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面推行國家實(shí)驗(yàn)室模式，分流了大量的經(jīng)費(fèi)和人員。面對不利局面，小布拉格決定在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室開展更多其他學(xué)科與物理學(xué)的交叉科學(xué)研究，其中就包括生命科學(xué)。就這樣，X射線衍射技術(shù)終于與生命科學(xué)走到了一起。

在小布拉格的領(lǐng)導(dǎo)下，卡文迪許實(shí)驗(yàn)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(xué)分部，開展了蛋白質(zhì)X射線晶體學(xué)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(xué)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(shí)實(shí)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(jī)制，理解生命這臺自動化機(jī)器的運(yùn)作原理。更重要的是，了解了疾病相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對性的藥物小分子設(shè)計，讓藥物與蛋白質(zhì)具有更強(qiáng)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(shè)計。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型：奠定分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)

在小布拉格治理下的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室還誕生了另一項對于生命科學(xué)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(xué)院X射線晶體學(xué)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(guān)鍵數(shù)值，結(jié)合化學(xué)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(fù)制遺傳的物質(zhì)本質(zhì)，讓人類對于DNA和基因的認(rèn)識精準(zhǔn)到了原子層次，為后來的PCR、分子克隆等一系列分子遺傳學(xué)操作奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。今天，基因工程操作在任何一個生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中都是習(xí)以為常的事情，成為了現(xiàn)代生命科學(xué)研究的基礎(chǔ)；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(zhǔn)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(shí)際上，X射線衍射技術(shù)對于生命科學(xué)的幫助恰恰是一個縮影，體現(xiàn)了近百年來生命科學(xué)發(fā)展的一個趨勢：要回答一個生命科學(xué)問題，往往要追根溯源，最終到達(dá)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(xué)的幫助才能達(dá)到目標(biāo)。這是現(xiàn)代生命科學(xué)與物理學(xué)之間解不開的羈絆。