自1913年以来，基于结构的晶体学的基本方法就没有真正改变过，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:“基本的实验是向你正在研究的任何物体的晶体层发射一束x射线，然后你就可以从衍射图样中计算出分子的结构。”
四十年后，图片来自罗莎琳德·富兰克林的x射线衍射工作使我们发现了迄今为止最著名的分子结构之一，沃森和克里克的DNA双螺旋结构。
萨顿说:“我们一直认为，如果你知道结构，你就能理解它是如何工作的——这对DNA来说当然是正确的。”
的在x射线晶体学领域，诺贝尔奖比比皆是并继续彻底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广泛的影响。
更强的x射线
由于该技术仍然高度依赖于3d材料的规则排列，最大的挑战仍然在于获得足够大小和质量的晶体。
剑桥MRC分子生物学实验室组长安德鲁·莱斯利博士解释说:“由于生物分子具有如此多的固有灵活性和异质性，因此很难获得高质量的晶体。”
但是强大的新型x射线源，比在实验室中实现的要高很多数量级，正在帮助我们绕过这一挑战。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金刚石光源在哈维尔，或者欧洲同步辐射装置在法国格勒诺布尔。
萨顿说:“如果你有大晶体，它们可以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，这确实带来了巨大的不同。”
速度的显著提高也有助于研究人员克服晶体质量的不均匀性。
莱斯利解释说:“你可能想要从30个晶体中收集数据，以找到最好的一个，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(XFELs)可以在x射线下产生极强的脉冲，为解析亚微观晶体提供了新的机会。
莱斯利解释说:“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，以至于把晶体炸开。”
然而，这种破坏性的方法意味着每个晶体只能产生一个图像。但要完成结构分析，需要数百张，甚至经常需要数万张衍射图像。
莱斯利说:“因此，人们通过在x射线束中喷射晶体流来收集成千上万的图像，并从每个晶体中收集一张图像。”
2017年，科学家们首次通过解决问题证明了使用这种方法的巨大潜力牛肠病毒(BEV2)的结构。
制作纳米级分子薄膜
这些高能光源，伴随着通常用于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收集所有可能旋转的单晶数据上，使用低温来限制x射线束的损伤。然而，这种方法只提供静态的图像。
萨顿解释说:“在过去，你的蛋白质在一个方向上被困在晶体中，但实际上，它可能是脉动的。”
执行室温连续分析和/或使用XFELs，打开了观察这些微妙的分子运动的大门，这可能是至关重要的功能。它还提供了令人兴奋的前景，可视化交互过程的所有阶段，如催化循环中的酶，或抗体与抗原的结合。
萨顿解释说:“如果你能在晶体流过光束的同时做到这一点，你就可以把这个过程中各个阶段的所有快照放在一起，制作一部电影。”
科学家们正在进行这类令人兴奋的研究。
萨顿兴奋地说:“我们以前真的做不到，但现在我们可以——你可以看到原子运动的过程，只是埃或纳米的几分之一。”
借助计算机制作模型
数据收集、分析和存储方面的进步也使研究人员能够研究更复杂的生物结构，使用复杂的软件和图形程序，自动建立他们的初始模型。
“人们甚至可以在同步加速器收集数据的同时得到一个初始结构，”莱斯利说。
然而，第一次尝试从来都不是完美的，总是需要进一步的改进和仔细的验证。
莱斯利解释说:“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性质。”
然后，研究人员将最终的坐标存入蛋白质数据库(PDB)这是一个储存蛋白质、大分子和复杂组合物三维形状信息的中央储存库包含超过14万个结构。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:“他们用自己的验证工具对模型进行验证，并强调他们认为不寻常或可能错误的任何地方，然后让你回去仔细看看。”
如今，在最简单的情况下，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其功能的信息。但它最明显的实际应用是在药物设计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(gpcr)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都是针对他们的。由于许多gpcr具有脱靶效应，研究人员一直试图推断出许多gpcr的结构，以帮助设计出副作用更小的特异性药物。然而，多年来，它们已被证明极难开裂，因为它们不稳定且很难结晶。
“人们在这方面已经研究了30多年，但毫无进展，但在过去10年左右的时间里，有了一个已经确定结构的gpcr数量激增莱斯利兴奋地说。
除了让生物学家更多地了解gpcr的工作原理外，这一系列的结构信息也推动了药物的发现。
莱斯利说:“基于晶体学的结构信息，现在有许多化合物处于临床试验的不同阶段。”
研究自然界最微小的细节
自x射线晶体学诞生一个多世纪以来，它继续在生物学和医学的许多领域产生巨大的影响，但基本方法保持不变。
萨顿说:“这是一件令人惊奇的事情，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，并从衍射模式中找出原子的位置。”
最大的挑战仍然是如何产生晶体，但技术的进步使研究人员能够增加他们不断增长的结构目录，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个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，这种感觉很棒。”
