Около 100 лет назад отец и сын на севере Англии провели эксперимент, который произвел революцию в изучении молекул. Усовершенствованная версия их метода до сих пор остается одним из важнейших инструментов в арсенале ученых.
Марк Лорч, Университет Халла
Для этого Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоуренс Брэгг использовали поваренную соль (хлорид натрия). Они взяли чистый кристалл соли и направили на него рентгеновские лучи, которые создали на фотобумаге, лежащей за кристаллом, красивый геометрический узор.
Другие ученые уже делали подобные открытия, но Брэгги сделали интуитивный прорыв. Они поняли, что расположение точек содержит информацию о молекулярной структуре соли. Лоуренс Брэгг вывел формулу, известную сегодня как закон Брэгга, с помощью которой можно было извлечь эту информацию и определить, как расположены атомы натрия и хлора в кристалле соли.
Сегодня мы знаем, что внутри кристаллов атомы расположены в определенном порядке. У каждого из этих атомов есть плотное ядро, содержащее нейтроны и протоны, и менее плотные внешние оболочки, содержащие электроны. Рентгеновские лучи, сталкиваясь с этими препятствиями, взаимодействуют с другими рентгеновскими лучами, что приводит к явлению, называемому дифракцией. Дифракции подвержены все волны (свет или звук), когда они сталкиваются с препятствиями. Именно результат этой дифракции был запечатлен на фотопластинке, сделанной группой Брэгга.
Даже если вы не уделяли особого внимания урокам химии, вы наверняка видели изображения химических структур в виде шариков и палочек, где шарики — это атомы, а палочки — связи, которые их соединяют. Но Брэггам об этом было неизвестно. Их работа не только подтвердила существование атомов, но и показала, как они соединяются, образуя химические соединения.
Почему вода кипит
С этого момента ученые получили возможность изучать таинственные процессы взаимодействия атомов друг с другом. Они смогли приступить к расшифровке структуры молекул. За последнее столетие 27 Нобелевских премий были присуждены за открытия, непосредственно связанные с использованием рентгеновской кристаллографии. О влиянии работы семьи из Йоркшира лучше всего сказал Макс Перуц, лауреат одной из этих 27 Нобелевских премий:
Почему вода кипит при температуре 100 °C, а метан — при -161 °C, почему кровь красная, а трава зеленая, почему алмаз твердый, а воск мягкий, почему ледники текут, а железо твердеет, если его ударить молотком, как сокращаются мышцы, как солнечный свет заставляет растения расти и как живые организмы эволюционировали в более сложные формы... ответы на все эти вопросы дает структурный анализ.
В 1953 году Розалинд Франклин с помощью рентгеновской кристаллографии получила изображения кристалла ДНК. Одно из этих изображений, получившее название «фотография 51», в конечном итоге помогло Джеймсу Уотсону, Фрэнсису Крику и Морису Уилкинсу описать спиральную структуру ДНК. Это изображение называют самой важной «фотографией» из когда-либо сделанных.
Такие изображения, получаемые кристаллографами, называются дифракционными картинами. Теперь мы можем создавать такие картины с помощью лазерных указок. Когда свет от лазера проходит через спиральную пружину, на стене за ней появляется характерный знак «Х».
Большинству людей, не знакомым с законом Брэгга, сложно понять, как по пятнистому кресту можно судить о структуре невидимых атомов. Но результат поразительно похож на знаменитое изображение Франклина. Угол наклона креста и расстояние между пятнами содержат информацию о толщине проволоки и упругости пружины. Например, сжатие пружины меняет рисунок. Точно так же на фотографии 51 есть все данные, необходимые для определения структуры ДНК.
ДНК — пожалуй, самая известная структура, структура которой была определена с помощью рентгеновской кристаллографии, но это лишь одна из тысяч структур: от поваренной соли до лекарств, от материалов до огромных сложных белков, структура которых помогает нам понять процесс, делающий возможной жизнь. Влияние рентгеновской кристаллографии — одна из причин, по которой ООН объявила 2014 год Международным годом кристаллографии.
У нас светлое будущее
Но у химиков неоднозначное отношение к рентгеновской кристаллографии, потому что у этого метода есть одно серьезное ограничение. Как следует из названия, для этого метода нужны кристаллы определенного качества и размера. Вырастить хорошие кристаллы соли несложно, но попытки получить кристалл сложной молекулы, например белка, часто заканчиваются неудачей. Многие ученые сделали карьеру, просто научившись получать качественные кристаллы определенного белка.
Вот почему современные достижения в области рентгеновской кристаллографии отчасти связаны с попытками обойти проблему кристаллов. Один из способов — использовать более мощные рентгеновские лучи. Как яркий фонарик дает больше света, чем свеча, так и чем больше энергии в рентгеновском луче, тем меньше кристалл, необходимый для получения качественной дифракционной картины.
Источником рентгеновского излучения, который использовали Брэгги, была небольшая стеклянная трубка, похожая на лампочку. Она испускала рентгеновские лучи, мощности которых было достаточно, чтобы выявить структуру простого кристалла соли. В отличие от нее, современные источники света — это огромные ускорители частиц, называемые синхротронами, такие как Diamond Light Source. Эти приборы могут достигать сотен метров в диаметре и генерировать пучки, мощность которых в десятки тысяч раз превышает мощность самого Солнца. С помощью этих невероятных пучков ученые могут исследовать структуру все более мелких кристаллов, пока не появится возможность отказаться от кристаллов.