利用这种材料，破解各种分子的3D结构！

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　研究人员发明了一种纳米尺度的显示手段，使得人们可以在原子尺度上观察难以研究的化学和生物样品。它不仅能分辨出分子的手性，还提高了 X 射线图像的质量。

　

　　透视图展示了一种植物激素——茉莉酸的分子结构的对称构型。茉莉酸(灰色与红色部分)附着在 MOF，即金属有机框架的纳米结构上（金色与蓝色部分）。图片来源：S. Lee, E. Kapustin, O. Yaghi/ Berkeley实验室和UC Berkeley

　　来自美国能源部 Lawrence Berkeley 国家实验室（Berkeley 实验室）和 UC Berkeley 的研究人员发明了一种纳米尺度的显示手段，使得人们可以在原子尺度上观察难以研究的化学和生物样品。

　　他们的工作发表在2016年8月18日的 Science上。研究人员将这些样品固定在金属有机框架(metal-organic framework，MOF)的坚实结构中，从而有助于揭示一系列复杂分子（包括一些化合物和潜在新药物）的结构的新细节。

　　研究人员将一系列不同的分子导入并用化学方法使他们固定在多孔的 MOFs中，每一种复合物约在百万分之一米大小。然后利用 X 射线技术精确测定 MOFs 内部样品的分子结构。

　　他们用的样品种类繁多，从一个简单的酒精分子到一种复杂的植物激素。新的实验手段被称为“CAL”，也即“共价校准”（covalent alignment，MOF 中分子形成一种化学键被称为共价键），这一手段有助于科学家从包含着样品分子的 MOF 中测定一个分子的精确结构。

　　研究中所使用的 MOF 是一种理想材料，且易于大规模制备。MOF 为样品分子的X射线研究提供了一种支撑骨架——否则这些分子会四处摇晃，难以固定。科学家们制备样品的方法是将 MOFs 浸入含有不同分子成分的溶液中，然后加热溶液使之结晶析出。

　　“我们想证明任何分子，不管有多复杂，都可以应用这种手段并在 MOF 内实现结构的测定。” Omar Yaghi 表示。Omar Yaghi 身兼 Berkeley 实验室的材料科学家与 UC Berkeley 的化学系教授，也是这项研究的负责人。

　　示意图展示了金属有机框架（MOF）的纳米结构。这种结构含有一种偏向性，（像左撇子与右撇子那样）被称为“手性”，这一特性使科学家能够辨认出是哪种手性的分子形成了键合。图片来源：S. Lee, E. Kapustin, O. Yaghi/Berkeley 实验室与UC Berkeley

　　MOF 有一种特殊的偏向性，被称为“手性”——像左撇子与右撇子那样——它们会选择性地与手性相同的样品分子键合。在制药过程中，这种分子手性的差异尤其重要，因为有可能一种手性的分子是良药，而另一种手性的分子是毒药。

　　“我们面临的一个重大问题是：如何将复杂分子结晶并确定他们的手性。” Yaghi 说道。

　　Seungkyu Lee 与 Eugene A. Kapustin 是参与这项工作的 Berkeley 实验室研究员和 UC Berkeley 的研究生。他们表示这些难于研究的蛋白，尤其是对药物研发有重要作用的蛋白质，是新实验手段最优先的攻坚目标。

　　“我们主要着眼于那些此前从未被结晶出来过的分子，”Kapustin 说，“我们的下一步不仅仅是展示原子的排列，更要确定分子的手性，而制药公司更感兴趣的是后者。”

　　要研究某一分子原子尺度的 3D 结构细节，最佳方式之一是使其形成晶体。然后研究人员将高强度的 X 射线照射在晶体上，从而产生一种光斑图样——就像迪斯科舞厅里的灯球一般。这种光斑图样将为精确描绘分子 3D 结构提供重要线索。

　　然而有些分子很难形成晶体，甚至在有些情况下，仅仅结晶出一个分子，就需要数年的努力。

　　示意图展示了16种研究中发现的、与金属有机框架（MOFs）结合时显现手性的分子结构。金属有机框架稳定住了分子，使X射线研究得以进行。图片来源：S. Lee, E.Kapustin, O. Yaghi/ Berkeley 实验室与 UC Berkeley

　　“结晶一种分子传统上需要借助试错法，” Yaghi 说道，“每个化学家或生物学家都不得不遵循这种实验方法。但在这种 MOF 材料中 你完全不需要——它会束缚住分子并使其有序。这完全绕开了晶体学上的试错方法。”

　　不同种类的 MOF 有着不同尺寸的孔洞，研究人员可以不断测试来找出对于不同的样品，哪种 MOF 是最合适的，Lee 说道。

　　尤其重要的是，最新研究表明 MOF 不会影响分子的自然原始结构。研究人员表示哪怕样品仅仅填充了 MOF 30%的孔洞，他们也能测定一个分子完整的3D结构。

　　科学家们研究和测定 MOF 以及键合分子的原子结构的 X 射线来自于 Berkeley 实验室的先进光源系统（ALS），并运用了 Berkeley 实验室分子铸造车间（Molecular Foundry）的核磁共振（NMR）技术来研究 MOF。

　　截至目前，科学家们研究了16种键合在 MOF 孔洞内的不同分子，包括一种叫做茉莉酸的植物激素，其手形结构此前从未被直接测定。其他种类的植物激素还包括赤霉素、甲醇等酸类与醇类。

　　MOF 框架中的金属实际上提高了 X 射线图像的质量，Kapustin 表示。他补充道这一技术曾帮助科学家分辨出仅有一个原子键不同的、两种几乎一模一样的植物激素。

　　科学家们从此能够将结构精度推至百分之一纳米的量级——这比一些原子的直径还小。“在这一精度下你能分出是双键还是单键，或者这是一个碳原子还是其他原子，”Lee 说道，“一旦你将一个分子与 MOF 键合，你就能非常精确地得到其完整结构，这其中 MOF 的手性在精细化结构的过程中起到了参照系的作用。”

　　原文地址：

　　[url=]http://phys.org/news/2016-08-d-molecules.html?utm_source=menu&utm_medium=link&utm_campaign=item-menu[/url]