基于结构的晶体学的基本方法自1913年父子二人，W. H.和W. L.布拉格，解决了任何材料的第一个结构以原子的分辨率。
伦敦国王学院分子生物物理学教授布莱恩·萨顿(Brian Sutton)解释说:“基本的实验是向你所研究的任何物体的晶体层发射一束x射线，你可以从衍射模式中计算出分子的结构。”
四十年后，来自罗莎琳德·富兰克林的x射线衍射工作使迄今为止最著名的分子结构之一得以发现，沃森和克里克的DNA双螺旋结构．
萨顿说:“我们一直坚信，如果你知道它的结构，你就能理解它是如何工作的——这对DNA来说当然是真的。”
的x射线晶体学领域的诺贝尔奖得主比比皆是并继续革命性地改变我们对物质结构的理解，在物理学、化学、生物学和医学领域产生了广泛的影响。
更强的x射线
由于该技术仍然高度依赖于常规的三维材料阵列，最大的挑战仍然在于获得足够大小和质量的晶体。
剑桥大学MRC分子生物学实验室的组长安德鲁·莱斯利博士解释说:“因为生物分子具有如此多的固有灵活性和异质性，所以很难获得高质量的晶体。”
但强大的新型x射线源，比实验室能达到的高许多数量级，正在帮助绕过这一挑战。如今，几乎所有的结构都是通过使用同步加速器收集的数据来解决的，比如英国的同步加速器钻石光源在哈维尔，或者欧洲同步辐射设施在法国格勒诺布尔。
萨顿说:“如果你有大的晶体，他们会减少你的数据收集时间，但你也可以从更小的晶体中获得数据，这真的有很大的不同。”
速度的显著提高也有助于研究人员克服晶体质量的异质性。
莱斯利解释说:“你可能想从30个晶体中收集数据，以找到最好的一种，所以为了能够在现实的时间尺度内做到这一点，你需要能够快速收集数据。”
破坏衍射
最近,x射线自由电子激光器可以在x射线体系中产生极其强烈的脉冲，为分解亚微观晶体提供了新的机会。
“这些新光源的想法是用飞秒x射线脉冲撞击晶体，这种脉冲非常强烈，以至于它会把晶体吹散，”莱斯利解释说。
然而，这种破坏性的方法意味着每个晶体可能只生成一个图像。但是要完成一个结构分析，需要成百上千张，甚至经常是上万张衍射图像。
莱斯利说:“因此，人们通过在x射线束中喷射晶体流来收集数十万张图像，而每一张图像只收集一张图像。”
2017年，科学家们首次证明了使用这种方法的巨大潜力牛肠道病毒(BEV2)结构。
制作纳米级分子电影
这些高能源，连同通常用于x射线衍射的温度的升高，正在打开一个时间分辨结构研究的新时代。
传统上，结构生物学家将注意力集中在从单晶中收集所有可能旋转的数据，使用低温来限制x射线束的损伤。然而，这种方法只能提供静态图像。
萨顿解释说:“在过去，你的蛋白质被困在一个方向的晶体中，但实际上，它可能是脉动的。”
执行室温连续分析和/或使用XFELs，打开了观察这些细微分子运动的大门，这些运动可能对功能至关重要。它还提供了一个令人兴奋的前景，即可视化交互过程的所有阶段，如催化周期中的酶，或抗体与抗原的结合。
萨顿解释说:“如果你能让晶体在光束中流动，你就可以把这个过程的各个阶段的所有快照放在一起，制作一部电影。”
科学家们现在正在进行这些令人兴奋的研究。
萨顿兴奋地说:“我们以前真的不能这样做，但现在我们可以了——你可以看到原子运动的过程，仅仅以埃或纳米为单位。”
在计算机的帮助下制作模型
数据收集、分析和存储方面的进步也使研究人员能够利用复杂的软件和图形程序来研究更复杂的生物结构，这些软件和图形程序将自动建立他们的初始模型。
莱斯利说:“人们甚至可以在同步加速器收集数据时得到一个初始结构。”
然而，第一次尝试永远不会完美，总是需要进一步的改进，然后仔细验证。
“这种改进可能会扭曲它，所以我们需要检查最终模型是否具有预期的立体化学，”莱斯利解释说。
研究人员将把最终的坐标存入蛋白质数据库(PDB)一个包含蛋白质、大分子和复杂组合的三维形状信息的中央存储库，现在包含超过140,000个结构．的剑桥结构数据库，包含超过90万个条目，为小分子提供了类似的资源。
莱斯利解释说:“他们对模型运行自己的验证工具，并突出任何他们认为不寻常或可能错误的东西，并让你回去仔细检查。”
如今，在最简单的情况下，从制造晶体到最终结构的整个过程可以在几周内完成。
基于结构的药物设计
x射线晶体学的理想目标是从分子的结构中获得有关分子功能的信息。但它最明显的实际应用是在药物设计在美国，有许多显著的成功证明了它的力量，包括治疗艾滋病和癌症的药物．
g蛋白偶联受体(GPCRs)是一个跨膜信号蛋白家族，由于其在不同疾病中的大量参与，在药理学中具有至关重要的意义三分之一的药物针对他们．由于许多GPCRs有脱靶效应，研究人员一直试图推断许多GPCRs的结构，以帮助设计更具体的药物，副作用更小。然而，多年来，由于它们不稳定且很难结晶，它们被证明极难破裂。
“人们已经在这方面工作了30年或更长时间，但毫无进展，但在过去10年左右的时间里，出现了一种趋势在结构上被确定的GPCRs数量的爆炸莱斯利热情地说。
除了让生物学家更多地了解GPCRs的工作原理外，这一系列结构信息也推动了药物的发现。
莱斯利说:“基于晶体学的这种结构信息，目前有许多化合物处于不同阶段的临床试验中。”
研究大自然最细微的细节
自诞生以来的一个多世纪，x射线晶体学继续在生物学和医学的许多领域产生巨大影响，但基本方法保持不变。
萨顿说:“这是令人惊讶的事情，即使有了所有的新技术，你基本上仍然只是向有序的分子阵列发射x射线，并根据衍射图计算出原子的位置。”
最大的挑战仍然是生成晶体，但技术进步使研究人员能够在不断增长的结构目录中添加新的结构，并观察可能对功能至关重要的微小分子运动。
不难理解为什么在这一领域工作的人对他们的工作如此热情。
萨顿兴奋地说:“我喜欢第一次看到建筑，这种感觉太棒了。”
