1.
after reading your last message (which gave me an idea of how people like you do research in this field), I reviewed some articles on physics of DNA/核糖體, some of them I read before, worth reading again, very helpful to me. and now I send them to you.
I am not in this business, physics of DNA is a side interest to me.
as of today, as far as I know, 由于原子(more than a few hundreds of them)间的相互作用无法定性定量分析 , quantum physics/chemistry can not establish a wave function for an even much simpler 分子, not to mention DNA or RNA.
another challenge, 薛定格: “非周期性晶体”, 一团“原子聚合物”;
DNA as 非周期性晶体, so it can generate and transmit much more information vs. those non-life 周期性晶体, and it is very hard to set up a wave function for 非周期性晶体.
a 含时 wave function is always a challenge, even in physics.
Ada Yonath , she is so good. 2009 年诺贝尔化学奖获得者.
2.
顺便讲一下, 有一亲戚, she graduated from Harvard, PHD, she is doing similar research in Stanford now as a post doc, she is 28 years old,
本科清华毕业, 还没有男朋友, a very good girl.
有合适的男, 请帮介绍, thanks.
best wishes for your research work.
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1.
学科融合: 由X 射线晶体学揭示的生命进程中的
化学基础
阿达·约纳特*
"生物X 射线晶体学作为一个研究工具, 在分子
水平上塑造了我们对生物学过程的概念. X 射线晶体
学以生物大分子或者分子组装体为研究对象, 通过
绘制组成这些对象的每一个原子的位置, 为构建准
确的3D 模型提供必需的信息, 由此生成的信息对理
解生命过程至关重要. 这种方法利用物理属性(即光
波和物体之间的相互作用产生的衍射)以及傅立叶变
换和群论等数学原理, 提供键长、化学亲和性、分子
运动性等结果.
由单个分子产生的X 射线散射是一个连续的函
数. 而在三维空间周期性排列的单元形成的晶体对X
射线的散射则会依据晶格的周期性(有倒易关系)产
生离散的衍射点. 这些离散的衍射点来自于散射波
与晶格函数的卷积. 在这种方式下, X 射线的衍射变
成离散的及可测量的. 另外, 晶体中大量取向相同的
单元会同时产生衍射, 这将大大增加衍射信号的强
度. 这也解释了晶体样品的重要性."
2.
如此浮現了一個生命的基本運作之圖像：也就是資訊如何的由DNA流到RNA而轉成酶以及一些其它的蛋白質。但是這個圖像仍然是非常的簡略，正如華生在1964年的一篇回顧論文中所指出的：“不幸的，我們無法在化學的層次上精確的描述一個分子如何的運作，除非我們先能知道它的結構”，這一直等到了2000年，才能得到一個結構，清楚的顯示那些原子到底位於核糖體上的哪些位置。
Ada Yonath — 具有強烈意志的開拓者
一個石破天驚的發現，往往來自於一位鑽研著未曾被染指的領域之開拓者，在現在這個例子中，Ada Yonath就是一位開拓者。在1970年代的末期，她決定去取得核糖體的X光繞射晶體結構，在那個時候，大部份的人認為這是不可能做到的。
在進行X光繞射光譜實驗中，實驗者將X光瞄準一顆晶體，例如一個蛋白質(圖四)，當光線撞擊到原子時它們被散射，而在另一端實驗者紀錄下光線被如何散開，在之前這是利用照相底片來做到，它會被光線照黑，現在則是使用數位式照相機中所使用的CCD偵檢器(這也是2009年諾貝爾物理獎的一個焦點)，透過分析黑點所組成的圖案，實驗者可以定出在一個蛋白質中各原子座落的位置。
希望這種實驗能成功，則使用的晶體必須近乎完美，這樣的晶體才能產生出精確的圖案，而且是不斷的重複的圖案；帶著一點的運氣，當鹽水慢慢的揮發時，可以得到漂亮的鹽晶體，但是若將一盆鹽水煮乾，鹽只會在盆底形成一片單調的鹽層，不同的條件會得到或多或少有用的晶體。
大體上，上述的狀況亦適用在取得X光繞射級的晶體，只不過要得到高品質的蛋白質晶體是一件非常困難的工作，而且蛋白質的錯合物越龐大，這份工作就越艱難。
因此許多人對Ada Yonath的眼光頗為懷疑，核糖體是一種最為複雜的蛋白質/RNA錯合物之一，它分為兩個部份，一個小單元和一個大單元。核糖體的小單元是由一個大的RNA分子與大約32個蛋白質所組成。大單元則是由三個RNA分子與大約46個蛋白質所組成。因此每一個單元都是由上千個核苷酸和上千個蛋白質所組成，換言之就是由上萬個原子所組成，而Ada Yonath企圖建立每一個原子在核糖體中的精確位置。
溫泉與死海 — 越嚴酷的條件得到越好的晶體
當Ada Yonath決定將核糖體結晶出來時，她選擇使用在嚴酷的條件下生存的細菌。Geobacillus stearothermophilus (嗜熱桿菌)可以生存在溫泉中且可以忍耐高達75 oC的溫度，Ada Yonath的假設是，要適應這種條件，細菌的核糖體必須非常的穩定，也因此可以生成較佳的晶體。
在1980年她已經設法得到了第一個核糖體的大單元之晶體，雖然這個晶體離完美還很遠，但這已是一個了不起的成就。
實際上又花了20年的辛苦工作，Ada Yonath設法得到了一張核糖體的圖像，而從其中可定出每一個原子的位置。她嘗試過許多新的方法，例如她將晶體冷凍在 -196 oC的液態氮中以穩定晶體，她也嘗試過結晶其它具有耐力的微生物中的核糖體，其中之一是附近找到的 — 一種生活在死海的嗜鹽菌Haloarcula marismorlui。
一步一步的，Ada Yonath終於接近了她的目標，終於大家體認到核糖體的原子結構是可以被描繪的，因此有更多的科學家加入了這場競賽，其中的兩位是Thomas Steiz與 Venkatraman Ramakrishnan。
一個由數百萬黑點組成的圖形所包覆的意義
在1990年代Ada Yonath的晶體已經具有了相當不錯的品質，那些黑點組成的圖案已經詳細到足以決定核糖體晶體中的原子位置，但仍然還有一個相當困難的障礙，那就是X光繞射光譜中的“相位問題”為了從黑點組成的圖案決定出一個結構，科學家需要知道每一個黑點的“相位角度(phase angle)”這個數學的資訊悠關原子在晶體中的位置。
一個科學家為了決定相位角度時常用的招數就是將之浸入一些重原子中，例如汞，那些重原子將會附著於核糖體的晶體表面，藉著比較有附著重原子和沒有附著重原子的晶體繞射圖案，科學家可以決定相位角度。
不過由於核糖體是非常的巨大，因此表面附著了過多的重原子，因此很難立刻的決定其相位角度。為了解決這個問題，就必須取得更多的資訊。
最終是由Thomas Steiz解決了這個問題，他使用了由一位電子顯微鏡專家Joachim Frank所取得的核糖體圖像，透過這些圖像的幫助，Thomas Steiz可以找出核糖體在晶體中座落的方位如何(但是其解析度無法讓他判定個別原子的位置)，這個資訊結合了由重原子所得到的訊息，終於得到了相位角度。
20年工作後的結論
在1998年，Thomas Steiz發表了第一個核糖體的大單元之晶體結構，它像是一張模糊的相片，具有9 Å (1 Å等於一毫米的百萬分之一)的解析度，這種解析度無法看到每一個原子，但的確可以看出核糖體的那幾個很長的RNA分子，這是一個具有決定性的突破。
現在相位角度的問題終於解決，剩下來就是去改進晶體的品質以及收取更多的數據，以便增加圖像的清晰度，而今年的諾貝爾獎得主們幾乎同時的抵達終點線。在2000年的八月及九月，他們發表的晶體結構之解析度，已經讓他們能解出各原子的位置。Thomas Steiz設法取得了由嗜鹽菌Haloarcula marismorlui之核糖體的大單元之結構；Ada Yonath與Venkatraman Ramakrishnan從Thermus thermophilus 獲得了小單元之結構，因此現在可以從最基礎的原子層次繪製核糖體功能的圖像。
学科融合: 由X 射线晶体学揭示的生命进程中的
化学基础
阿达·约纳特*
魏茨曼科学研究所, 雷霍沃特76100, 以色列
*通讯作者，E-mail: ada.yonath@weizmann.ac.il
收稿日期: 2011-09-05; 接受日期: 2011-09-12; 网络版发布日期: 2011-10-30
英文版见: Yonath A. Merging disciplines: Chemical bases of life processes are revealed by X-ray crystallography. Sci China Chem, 2011, 54(12):
2021–2023
这篇文章是为国际化学年而写的总结. 化学主
导了几乎所有现代科学的分支, 因为一旦深入到了
分子水平上, 就会涉及到化学事件. 在生命科学领域
里面, 传统科学分支之间的界限实际上已经消失了,
所以几乎所有的生物学问题都是以化学术语回答的.
生物X 射线晶体学作为一个研究工具, 在分子
水平上塑造了我们对生物学过程的概念. X 射线晶体
学以生物大分子或者分子组装体为研究对象, 通过
绘制组成这些对象的每一个原子的位置, 为构建准
确的3D 模型提供必需的信息, 由此生成的信息对理
解生命过程至关重要. 这种方法利用物理属性(即光
波和物体之间的相互作用产生的衍射)以及傅立叶变
换和群论等数学原理, 提供键长、化学亲和性、分子
运动性等结果.
由单个分子产生的X 射线散射是一个连续的函
数. 而在三维空间周期性排列的单元形成的晶体对X
射线的散射则会依据晶格的周期性(有倒易关系)产
生离散的衍射点. 这些离散的衍射点来自于散射波
与晶格函数的卷积. 在这种方式下, X 射线的衍射变
成离散的及可测量的. 另外, 晶体中大量取向相同的
单元会同时产生衍射, 这将大大增加衍射信号的强
度. 这也解释了晶体样品的重要性.
X 射线晶体学的运用开始于20 世纪20 年代, 这
归功于马克斯·冯·劳厄发现了由晶体产生X 射线的
离散衍射. 随后, 威廉·亨利·布拉格与其子威廉·劳
伦斯·布拉格成功地应用X射线衍射技术确定简单无
机分子的电子分布. 这种方法最初被用来确定无机
小分子的结构. 接着对非常简单的有机化合物的结
构也可以用这种方法确定. 将X 射线晶体学扩展到
生物分子, 刚开始时受到相当大的质疑. 在最初的二
十多年里, 许多有威望的科学家甚至怀疑这种方法
的可行性.
尽管X 射线晶体学存在一些瓶颈，但自从它的
第一个成功应用以来, X 射线晶体学在分子水平上阐
述功能相比其他方法更具有显而易见的优越性. 这
种方法在生命科学中的应用变得日益普及, 促使分
子结构的数量稳定增长, 其中有一些结构在几年前
还被认为是难以解析的. 在生物晶体学的整个历程
中, 所涉及的领域已经超出了所谓的现实性期望. 所
以这个历程被描述为正在进行中的大量尝试, 而针
对的问题需要不断提高技术来解决. 因此, 已得到的
结构激励了越来越复杂的晶体学研究, 由此导致了
重大的技术创新, 并加速了该领域难以置信的拓展.
随着生物分子结构的数量不断增长, 对复杂功能也
产生了新的认识, 例如跨膜运输、信号通路、蛋白/
核酸识别、生物活性RNA 分子等.
样品制备是一个主要的瓶颈. 因此, 在生物晶体
学存在的整个历程中, 即使当今我们可以利用自动
化系统来生长晶体, 对生物大分子生长有用的晶体
仍旧是决定其三维结构的主要瓶颈. 这是由于其内
部固有的柔性, 非常需要将其浸泡在支持溶液中, 以
便保持其具有功能意义的构象. 就膜蛋白而言, 后一
Special Issue: International Year of Chemistry 2011
阿达·约纳特: 学科融合: 由X-射线晶体学揭示的生命进程中的化学基础
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种情况具有特别大的局限性. 包裹着细胞的膜或者
细胞内特殊细胞器的膜具有不透水层, 在其中嵌入
的蛋白质控制着跨膜转运. 膜蛋白的天然属性使其
难以溶解在水介质中, 这使得它们的结晶比可溶性
蛋白更为复杂. 因此, 在目前所有已知结构的蛋白质
总数(约80000)中, 从解析第一个膜蛋白结构到现在
的26 年里, 仅有280 个膜蛋白的结构存放到了蛋白
质结构数据库(PDB). 特别是其中有一半的结构直到
最近几年才得以解析, 而且在显著提高分辨率极限
方面也正在不断取得成功.
现代生物晶体学正被用于多种关键生命过程的
研究, 并取得了不可思议的进展. 通过解析结构来理
解基本生命过程, 最近在化学方面取得了显著的进
展, 下面我们选出其中的精彩部分. 这些进展包括通
过基因的转录调控来控制饱和与非饱和脂肪酸之间
的比例; 氧化还原酶复合物; 多聚体膜蛋白和外膜蛋
白复合物; 膜激活因子; 多肽转运相关结构域; G 蛋
白偶联受体, 具有将信号转移到细胞内的跨膜螺旋;
人脂肪酶, 在内源性大麻素信号发生中发挥关键作
用; 分泌性溶血磷脂酶, 能产生与介质相互作用的脂
质; 肌动蛋白调节复合物, 通过促进肌动蛋白丝成核
来控制细胞骨架动力学; 外膜棕榈酰转移酶; 植物自
我活化的G 蛋白; 人源钙调蛋白的酶活结构域; 植物
病原体的分子伴侣; 肿瘤抑制蛋白; 雌激素受体等.
最近, RNA 分子及其复合物的X 射线晶体学得
到了极大的拓展. 核糖开关和核糖体就是其中的两
个例子. 后者是普遍存在的一种细胞器, 它可以将遗
传密码翻译成蛋白质. 十年前, 首次得到了细菌核糖
体亚基的分子结构. 这些结构和后来解析的核糖体
结构阐明了在蛋白质合成过程中的关键问题, 还为
设计更好的抗生素铺平了道路. 有趣的是在核糖体
晶体学的前三十多年中, 只有原核生物的核糖体被
用于晶体学研究. 去年解析了两个真核生物的核糖
体结构: 一个是来源于原生动物的核糖体小亚基与
翻译起始蛋白组成的复合物, 另一个是来源于酵母
的真核核糖体的功能复合物. 考虑到真核核糖体比
原核核糖体的结构更加复杂, 其中真核核糖体比原
核核糖体大了40%, 这些最近的结构展示了一个显
著的进展.
已解析结构的分辨率极限是晶体学结构测定中
的一个主要问题. 如果力图阐明生物过程的分子机
制, 就需要高分辨率的结构. 如果样品中所有的原子
相对固定在他们的位置, 以及所有结晶的分子具有
相同的构象, 那么该样品衍射产生的电子密度图就
可以表明每个原子精确的位置. 因为蛋白质具有较
大的柔性并且生物大分子的晶体中包含着相当多的
溶剂, 晶格多少有些杂乱, 因此衍射图案消失在低于
预定的分辨率. 2011 年发表了令人印象深刻的结果,
一个非常小的花菜蛋白分子结构达到了0.48 Å 的分辨
率极限. 在这个领域里面, 这是一个明显的例外.
一直以来, 生物晶体学遭遇了许多瓶颈和障碍.
挑战这些困难不仅鼓励了主要的创新和突出的技术
进步, 而且还导致了实验设计原理的观念变革. 为此,
配备先进的技术和创新的计算工具成为必须的要求.
例证之一, 四十年前同步辐射(SR)就变得非常有用.
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