X射线： 开启现代生物学的钥匙

叶盛

说起X射线，人们首先会想到它是一种穿透力强大的隐形射线，能够照穿人体，留下骨骼的影像。其实X射线在诸多科研和技术领域都有着重要的应用：比如在机场和地铁站的行李安检仪，建筑和工业构件用的探伤仪，都是利用了X射线的穿透力；而材料科学领域则利用强大的X射线来照射新型材料，获取其内部结构信息；古生物研究可以利用X射线获得化石的内部结构；宇宙中远道而来的X射线则能为我们带来黑洞等神秘天体的信息。

X射线衍射：

当物理遇见生物

在生命科学领域，X射线不仅仅是探查生物体内部结构的工具，甚至还能够揭示分子和原子层次的生命信息。实际上，如果没有X射线的帮助，就没有现代生物学的发展，人类的医药健康水平也要倒退几十年。X射线究竟是如何发挥如此重要作用的呢？这种缺它不可的关键技术就是X射线衍射。

自從伦琴于1895年发现了X射线之后，这种性质未知的神秘射线便成了科学界的新宠儿，吸引了众多科学家投身这方面的研究。其中就包括英国物理学家威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）和他的儿子威廉·劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg）。1912年，刚刚上研究生一年级的小布拉格深入研究了X射线照射晶体的衍射现象，提出了描述该过程的布拉格方程。1915年，年仅25岁的小布拉格和他的父亲由于在X射线衍射理论方面的贡献分享了当年的诺贝尔物理学奖，成为诺奖历史上绝无仅有的父子档。

1938年，小布拉格被提名为剑桥大学卡文迪许教授，负责管理在物理学领域赫赫有名的卡文迪许实验室。当时，英国效仿美国，在基础科学研究方面推行国家实验室模式，分流了大量的经费和人员。面对不利局面，小布拉格决定在卡文迪许实验室开展更多其他学科与物理学的交叉科学研究，其中就包括生命科学。就这样，X射线衍射技术终于与生命科学走到了一起。

在小布拉格的领导下，卡文迪许实验室由马克斯·佩鲁兹（Max Perutz）和约翰·肯德鲁（John Kendrew）在1947年成立了分子生物学分部，开展了蛋白质X射线晶体学的研究。经过不懈努力，解决了众多技术难题之后，肯德鲁于1958年解析得到了肌红蛋白的三维结构，佩鲁兹于次年解析得到了血红蛋白的三维结构。两人因此分享了1962年的诺贝尔化学奖。

如今，全球蛋白质数据库（Protein Data Bank）中已经存入了超过14万个蛋白质结构，并且这一数字仍旧在快速增长。得益于这些蛋白质结构信息，我们才切切实实地“看”到了蛋白质长什么样子，从而可以在分子乃至原子的水平上分析蛋白质的作用机制，理解生命这台自动化机器的运作原理。更重要的是，了解了疾病相关蛋白质的结构，就可以根据结构进行有针对性的药物小分子设计，让药物与蛋白质具有更强的相互作用，从而获得最佳的药效。这一方法不同于之前几十年误打误撞式的药物研发，被称为基于结构的理性药物设计。

DNA双螺旋结构模型：奠定分子遗传学基础

在小布拉格治理下的卡文迪许实验室还诞生了另一项对于生命科学有着重大意义的发现，那就是DNA双螺旋结构模型的建立。这项工作与X射线衍射也有着不可忽视的联系。1951年夏天，詹姆斯·沃森（James Watson）作为博士后加入了肯德鲁的研究组，并与组里的博士研究生弗朗西斯·克里克（Francis Crick）一起开始了DNA结构的研究。1953年，他们从伦敦国王学院X射线晶体学家罗莎琳·富兰克林（Rosalind Franklin）对于DNA所拍摄的X射线衍射照片中得到启示，想到了DNA可能是双螺旋结构，并依据X射线衍射提供的螺距等关键数值，结合化学研究提供的一些信息，最终构建出了DNA的双螺旋结构模型。

DNA的双螺旋结构揭示了基因复制遗传的物质本质，让人类对于DNA和基因的认识精准到了原子层次，为后来的PCR、分子克隆等一系列分子遗传学操作奠定了物质基础。今天，基因工程操作在任何一个生物学实验室中都是习以为常的事情，成为了现代生命科学研究的基础；在基因测序方面，人类基因组测序完成之后，越来越多的生物完成了全基因组测序；与此同时，单人基因组测序的成本也大大降低，开启了精准医疗的新时代。如果没有X射线衍射为DNA结构的发现提供的帮助，那么这一切都将是不可能的。

实际上，X射线衍射技术对于生命科学的帮助恰恰是一个缩影，体现了近百年来生命科学发展的一个趋势：要回答一个生命科学问题，往往要追根溯源，最终到达分子和原子的层次，而在这个逐渐走向微观的过程中，唯有通过物理学的帮助才能达到目标。这是现代生命科学与物理学之间解不开的羁绊。