一个近在眼前的重大突破，却被化学家忽视多年
对于分子科学家来说，掌握原子间是如何相连对他们的研究是非常重要的。例如当制药公司需要研发新的药物，或验证药物的成分和纯度时，都离不开对分子的化学结构的了解。但是，大多数识别化学结构的技术都是间接的，这就像是你想要一个人的照片，却只能获得他的指纹、一幅素描画，或者牙齿记录一样。
在一项新的研究中，两个独立的研究小组运用电子衍射技术，以前所未有的速度绘制出了抗生素、激素以及其他化合的化学结构。传统的技术可能需要几个月到几年的时间才能确定的结构，现在只需要30分钟到一天的时间便可做到。这个方法有助于法医化学家和体育官员更快地对违禁药物进行识别，并加速制药商找到新的药物。
化学家Donna Huryn表示，“我已经很久没有对化学领域的某个发现感到如此兴奋。”
探测分子结构的历史
几十年来，科学家一直使用一种被称为X射线晶体学的技术来推断分子的化学结构。
首先，科学家需要诱导分子结晶，然后用X射线轰击晶体——相同的分子周期性堆叠起来形成的规则结构，X射线在遇到晶体中的原子后会反弹，发生所谓的X射线衍射，一个特殊的探测器可以记录下衍射后的X射线图案。接下来，科学家用软件分析衍射图案，并计算出分子的结构。
然而，X射线衍射只能作用于较大的晶体（至少有一个维度的尺寸不小于50微米），生成大的晶体却常常是一个耗时数周甚至数月的艰苦过程。而且，有些分子根本就很难结晶，不可能用这种技术分析它们的化学结构。
一种替代方法是用电子束代替X射线。对于尺寸大约为100纳米的晶体，X射线大多会绕过物质，而电子更容易从物质上反弹。因此，可以用电子衍射来分析其分子结构。这样大小的晶体是肉眼看不见的，但是对于瓶装的化学药品，这种方法却要容易得多。
利用电子衍射技术绘制分子结构并不是什么新鲜的想法。在2007年到2008年的时候，晶体学家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。在此之前，科学家得费力地将多个二维衍射图样合并在一起，才能得到这种三维结构。
最初，电子束衍射技术主要用于无机结构，因为它们不像有机分子那样容易受辐射影响。到了2013年，加州大学洛杉矶分校的结构生物学家Tamir Gonen开发了一种叫做MicroED（微电子衍射）的电子衍射技术，可以应用于蛋白质等生物大分子。2017年的诺贝尔化学奖更是授予了低温电子显微镜技术，利用这项技术，科学家能够绘制出含有数十万个原子的蛋白质的结构。
○ 使用低温电子显微技术可以确定复杂蛋白质分子的原子组成。（左）控制昼夜节律的蛋白质复合物，（中）读取耳朵中的压力变化，从而使我们能够听到的传感器 （c）寨卡病毒。| 图片来源：nobelprize.org
最新发表的两篇证明了，更小的有机分子结构也可通过电子衍射技术来进行分析。虽然这样的操作并非第一次实现，但新研究的一项重要突破在于，它展示了这种分析是多么高速而简便。
旧部件组合成的新技术
第一篇论文10月16日发表于德国期刊《应用化学·国际版》上，在这篇文章中，瑞士Paul Scherrer研究所的晶体学家Tim Grune领导的研究小组报告称，他们创造了一种设备原型，可以利用电子显微镜的电子束与兼容的探测器来发现小分子的结构。电子衍射图样的分析则是利用已经用于X射线晶体学的软件。“一切都是由以前就存在的部件组成的，实际上都是系统的平稳集成。”Grune说道。
研究小组利用这个装置，从胶囊里的粉末形成的微小晶体中，找到了止痛药对乙酰氨基酚的结构。这种晶体只有几微米长，比X射线衍射能够分析的尺寸小得多。
○ 分析黄体酮分子结构的整个过程大约需要30分钟。从一瓶数十年历史的黄体酮中提取的样本（左），应用于奶酪状的样品容器（左中），在电子轰击晶体样本不到在三分钟时间后，产生衍射图样（右中），这可以被转化为晶体分子的化学结构（右）。| 图片来源：C.G. JONES ET AL/CHEMRXIV.ORG 2018
在10月17日发表于ChemRxiv上的第二篇论文中，Gonen的小组采用MicroED技术来解决小分子而非蛋白质的结构问题。Gonen说，其中的转变是微不足道的。主要的调整涉及到样品的制备——需要小心处理脆弱的蛋白质，在这种情况下，他所要做的就是磨碎药粉。
研究小组利用这种改良版的MicroED技术探测药物粉末的结构，包括止痛药布洛芬和抗癫痫药物卡马西平。这些晶体的宽度约为100纳米——比X射线结晶学中使用的小10亿倍——新的技术可以在30分钟内确定这些晶体的结构。
○ 研究人员利用新技术识别出一种物质的化学结构，绘制出了抗生素硫链丝菌肽的分子结构（碳：灰色，氮：蓝色，氧：红色，硫：黄色）。整个过程只需一天时间。| 图片来源：C.G. JONES ET AL/CHEMRXIV.ORG 2018
科学家感叹，在蛋白质和其他领域广泛使用的技术，却没有被有机化学家广泛采用，一切都早已摆在眼前，却直到今天才提出如此美妙的解决方案，这真是令人惊讶。
Gonen将这种疏漏归咎于各学科之间缺乏沟通。他说，只有在自己开始与化学家交谈时才意识到，化学家在制备大的晶体来分析小分子的化学结构时遭遇了困难，这让他意识到，自己有一个解决办法。“作为一名蛋白质结晶学家，我从未认真考虑过小分子，对我们来说，小分子是我们试图摆脱的东西。”
惊喜与限制
电子晶体学的一个明显应用是为药物开发指明潜在的候选对象。但Gonen表示，当快速识别物质能够发挥至关重要的作用时，这项技术可能还会应用于取证等许多领域。
这项技术已经引起了极大的轰动，但它也有一些局限性。例如，具有不同化学效应的镜像分子，其三维结构完全相同，但是要利用电子衍射来区分这些结构，却非常具有挑战性。区别镜像结构需要进一步开发分析软件。
目前，研究人员得依靠电子显微镜来产生电子束，但是这非常昂贵，而且电子显微镜包括透镜等组成部分，这些对于电子衍射来说都是不必要的。此外，电子显微镜也没有被优化到与分析中使用的其他设备协调工作。
Gonen乐观地认为，他的工作将鼓励硬件制造商开发专门用于电子晶体学的新设备。有了特制的设备，“只需按一下按钮，就能解决结构问题”。
参考链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07213-3
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.
