کشفی ۱۰۰ ساله که هنوز به کسب جایزه نوبل کمک می‌کند
بی بی سی: سیزده سال پیش، در سال ۲۰۱۲، مریخ نورد کنجکاوی ناسا مشتی شن را برداشت، آن را بلعید و اشعه ایکس را به سمت آن پرتاب کرد. او می خواست بفهمد این ماسه از چه چیزی ساخته شده است و شاید نشانه هایی از حضور تاریخی آب در مریخ را آشکار کند. چون هر آبی در این دشت سرخ و غبارآلود خیلی وقت پیش ناپدید شده بود.
نزدیک به یک قرن پیش، در سال ۱۹۱۵، ویلیام براگ و پسرش لارنس براگ جایزه نوبل فیزیک را برای کار خود در زمینه کریستالوگرافی اشعه ایکس دریافت کردند. روشی که امکان تعیین ساختار اتمی و مولکولی آنها را با بررسی چرخش و انحراف پرتوهای ایکس در هنگام برخورد با کریستال ها فراهم می کرد.
بسیاری از مواد، از پروتئین های کوچک گرفته تا فلزات، می توانند کریستال ایجاد کنند. کریستالوگرافی اشعه ایکس به «استاندارد طلایی» برای نشان دادن چگونگی تناسب اجزای ماده با هم تبدیل شد.
روی زمین، مایکل وولبل از دانشگاه ایالتی میشیگان مشتاقانه منتظر داده های مریخ نورد کنجکاوی بود. این اولین بار بود که کریستالوگرافی اشعه ایکس در سیاره دیگری انجام شد.
او به یاد می آورد: «من تمام مدت مأموریت را دنبال می کردم.
تجزیه و تحلیل کنجکاوی جزئیات محتوای آب مواد معدنی مریخ را نشان داد. این یافته‌ها به یک فرضیه – اگرچه هنوز به طور قطعی ثابت نشده است – اعتبار می‌دهد که مریخ تا چند صد هزار سال پیش دارای آب‌های بزرگ بوده است.
ولبل می گوید: «در نهایت، ما می توانیم درک روشن تری از این موضوع داشته باشیم.
دانستن اینکه از چه موادی ساخته شده است به ما امکان می دهد کارهای شگفت انگیزی انجام دهیم. تجزیه و تحلیل ساختارهای اتمی و مولکولی به دانشمندان کمک کرده است تا داروها، اسرار را ایجاد کنند دی- NE را کشف کنید و باتری های بهتری طراحی کنید.
می توان گفت که کریستالوگرافی اشعه ایکس بسیار مهم است، زیرا در بسیاری از جوایز نوبل نقش برجسته ای داشته است. برخی بیش از بیست جایزه می گویند، اما تعداد کمی از آنها می دانند که این تکنیک چقدر شگفت انگیز است.
الگوهای منظم
این روش به کریستال ها بستگی دارد. زیرا هنگامی که اشعه ایکس به ساختار منظم یک کریستال می تابد، الگوی منظمی از انحراف نور به دست می آید، علائم دقیقی که با ماهیت شیمیایی آن ماده مطابقت دارد.
اگر تا به حال مدل‌های «توپ و چوب» از مواد شیمیایی را دیده‌اید، می‌دانید که کریستالوگراف‌های اشعه ایکس به دنبال چه چیزی هستند: یافتن نوع اتم‌ها در یک ماده و نحوه اتصال آنها به یکدیگر.
کریستال استاربرد، کریستالوگراف در دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، می‌گوید: «بعضی اوقات صدها بار با مواد شیمیایی، دما یا رطوبت متفاوت امتحان می‌کنم تا سرانجام کار کند.
برای انجام این نوع تجزیه و تحلیل، یکی از اولین گام‌هایی که استاربرد برمی‌دارد، برداشتن نوعی پروتئین و یافتن راهی برای کریستال کردن آن در مقیاس بسیار کوچک است. همانطور که آب هنگام یخ زدن، کریستال های یخ را تشکیل می دهد، پروتئین ها نیز در شرایط خاصی می توانند کریستال های بسیار کوچکی تشکیل دهند.
یکی از دانشمندانی که احتمالاً می‌توانست با این چالش‌ها شناسایی کند، دوروتی هاجکین بود. از دهه ۱۹۳۰، به مدت ۳۴ سال، از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای کشف ساختار انسولین استفاده کرد. هورمونی که به کنترل سطح قند خون کمک می کند.
در مورد هوچکین، به دست آوردن کریستال های انسولین چندان دشوار نبود. اما از آنجایی که انسولین حدود ۷۸۸ اتم دارد، زمان زیادی طول کشید تا کل ساختار آن را با استفاده از روش‌های کریستالوگرافی اولیه اشعه ایکس ترسیم کند.
دستاورد او تولید انبوه انسولین برای درمان دیابت را آسان تر کرد. بیماری زمانی رخ می دهد که بدن قادر به تولید انسولین نباشد.
السپت گارمن از دانشگاه آکسفورد، که هوچکین را به خوبی می شناخت، می گوید: “او الهام بخش فوق العاده ای بود.”
زنان موفق
گارمان اشاره می کند که بسیاری از زنان در کریستالوگرافی اشعه ایکس برتری داشته اند.
علاوه بر هوچکین، روزالیند فرانکلین نیز وجود داشت که تصاویر پراش پرتو ایکس حیاتی او توسط فرانسیس کریک، جیمز واتسون و موریس ویلکینز برای کشف ساختارهای پیچیده استفاده شد. دی-NE استفاده شد. کشفی که در سال ۱۹۶۲ جایزه نوبل پزشکی را برای آنها به ارمغان آورد. بسیاری بر این باورند که فرانکلین هرگز اعتبار کافی برای مشارکت خود دریافت نکرد.
کریستالوگرافی اشعه ایکس همچنین به کارهای اخیر برندگان نوبل، از جمله جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۰ برای فناوری ویرایش ژنوم که ریشه در مطالعات کریستالوگرافی دارد، کمک کرده است.
یکی از مهمترین کاربردهای کریستالوگرافی اشعه ایکس، کشف دارو است. این روش به دانشمندان کمک کرده است تا درمان هایی برای کم خونی سلول داسی شکل و حتی برخی سرطان ها پیدا کنند.
راب ون مونتفورت، رهبر گروه در مرکز کشف داروی سرطان در تحقیقات سرطان انگلستان، می گوید: «کریستالوگرافی اشعه ایکس تصویر بسیار دقیقی از نحوه اتصال یک ماده شیمیایی به یک مولکول به ما می دهد.
محققان همچنین از این روش برای بررسی مواد مورد استفاده در ساخت باتری‌ها، یک فناوری کلیدی برای دور شدن از سوخت‌های فسیلی، استفاده کرده‌اند.
باتری‌های لیتیوم یونی با حرکت یون‌های لیتیوم بین لایه‌های مواد کار می‌کنند و این حرکت است که باعث شارژ و تخلیه انرژی می‌شود.
فیل چیتر، رئیس گروه کریستالوگرافی در مرکز علم نور منبع الماس بریتانیا، می گوید: “حفظ ساختار این لایه ها برای طول عمر باتری ها بسیار مهم است.”
نگاهی دقیق تر به یخ دنباله دار
برخی بر این باورند که توانایی هوش مصنوعی برای پیش بینی ساختارهای مولکولی ممکن است نیاز به کریستالوگرافی اشعه ایکس را کاهش دهد. اما Starbird هشدار می دهد که هنوز ساختارهای زیادی وجود دارد که هوش مصنوعی نمی تواند به خوبی پیش بینی کند.
براگ ها احتمالا از شنیدن آن خوشحال خواهند شد. زیرا دستگاه های کریستالوگرافی اشعه ایکس ممکن است در آینده ماجراهای هیجان انگیزتری را تجربه کنند. Wolbel پیشنهاد می کند که یکی از آنها را به دنباله دار دوردستی بفرستید که به دور خورشید می چرخد.
“وای!” او می گوید. می‌خواستم ببینم یخ دنباله‌دار چه شکلی است.” او در مورد ترکیب‌های هیجان‌انگیز و غیرعادی صحبت می‌کند که اگر بتوانیم یخ را از نزدیک بررسی کنیم، می‌توانیم آنها را بفهمیم. من فکر می‌کنم این واقعاً شگفت‌انگیز است.
