Teknik som fyller 100 - Svenska Kemistsamfundet

Teknik som fyller 100 - Svenska Kemistsamfundet

kristallografins år 2014
Svenska kemistsamfundets motsvarighet i USA, American Chemical Society (ACS)
ger också ut en tidning, Chemical & Engineering News (C&EN), en gång i veckan.
Med deras tillstånd publicerar vi här denna förkortade och bearbetade version av artikeln
”100 Years of Crystallography” från det nummer som utkom den 11/8 2014.
Originalartikeln omfattar totalt 9 sidor.
Teknik som fyller 100
I år är det hundra år sedan röntgenkristallografin föddes. Här är några
av de viktigaste milstolparna, fram till idag.
”
Our ignorance of solids is very nearly complete” skrev den fysikaliska
kemisten H C Jones 1913 i sin bok
A new Era in Chemistry. Han fortsatte att beklaga sig över att man inte ens
visste formeln för varken is eller koksalt
och dessutom saknade metoder att ta
reda på det.
Nobelpristagarna William H och William L
Bragg, frimärke från cirka 1975.
Detta skulle dock ändras på ett sätt Jones inte kunde ana. Faktum var att fader
och son Bragg (William Henry och William Lawrence) redan hade börjat täppa till
denna kunskapslucka genom att använda
röntgenkristallografi för att bestämma kristallstrukturer.
Max von Laue och hans kollegor bestrålade i april 1912 en kopparsulfatkristall
med röntgenstrålning och fick ett diffraktionsmönster på en fotografisk fil. De
hade därmed bevisat att röntgenstrålning
uppförde sig som en våg.
Den unge Bragg hade fascinerats av deras resultat och mindes senare exakt när
han kom på att röntgenreflexerna uppstod
när strålningen träffade lager av atomer
i kristallen. Han anade då också att röntgenstrålning skulle kunna användas för
att bestämma kristallers atomstruktur.
Hans ide mynnade slutligen ut i den berömda Braggs lag.
Inspirerad av sin sons teori byggde fadern den första röntgenspektrometern
som de sedan direkt använde till att samla in diffraktionsdata för en serie kristaller. Deras strukturbestämning av koksalt
och liknande salter visade att de byggdes
upp av repeterande atomgitter och inte av
molekyler. De bestämde också strukturen
för diamant vilken stödde teorin att kolatomen koordinerad tetraedriskt.
”Det var en underbar tid”, mindes Lawrence senare, ”som att upptäcka en ny guldfyndighet där guldklimpar kunde plockas
upp direkt från markytan, med nya spännande resultat varje vecka”
För att hedra kristallografiåret 2014 har
tidningen Chemical & Engineering News
uppmärksammat några av de kristallstrukturer som besvarat viktiga kemiska
frågor. Denna text är en förkortad version av artikeln som vi publicerar med
deras tillstånd.
Hexametylbensen (1928)
Enligt kemisägnerna var det Friedrich
August Kekulé som först kom med idén att
bensen är en ringformad struktur när han
dagdrömde om en orm som åt sin egen
svans. Kekulés dröm fick honom att 1865
föreslå att bensens struktur bestod av en ring med
sex kolatomer med alternerande enkel- och dubbelbindningar. Det fanns
dock fortfarande flera obesvarade frågor som vilken
konfiguration ringen
Kathleen
Lonsdale
hade.
De flesta kemisterna trodde att bensenmolekylen var plan men det var inte förrän
kristallografen Kathleen Lonsdale trädde
24
in på arenan 1929 som det slutliga svaret
kom. Hon var den första kvinnliga professorn vid University College London och
den första kvinnliga ordföranden för British Science Association och blev även adlad 1956, till Dame of the British Empire.
I en berättelse om sitt liv skrev hon
senare att det hade varit hennes avsikt
att ge upp sin vetenskapliga karriär och
istället bli en god hustru och mor. Men
det fick hennes man inte uppleva, lade
hon också till.
Olikt bensen har hexametylbensen endast en molekyl i varje enhetscell vilket gör
det lättare att bestämma orienteringen hos
bensenringen. Lonsdales strukturbestämning visade klart att bensenringen var plan
men den visade också att alla bindningarna var lika långa. Organiska molekyler var
betydligt svårare att strukturbestämma och
den första hade strukturbestämts bara fem
år tidigare, hexametylentetramin.
Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 10 Oktober 2014
Vatten – is (1929)
Shutterstock
Under senare delen av 1920-talet var
debatten om kristallstrukturen för is livlig.
William H Barnes skrev t ex att ”data i
ämnet i litteraturen är mycket motsägelsefull” när han noterade att textböcker och
andra källor presenterade olika strukturer.
En kanadensisk forskare använde ett stipendium han fått för att resa till Londons
universitet och arbeta under kristallografipionjären William Henry Bragg.
Barnes kom senare att publicera
strukturen hos is bildad under naturliga
förhållanden. Han visade entydigt att
syreatomerna var arrangerade i plana
hexagoner med väteatomerna mellan
sig. Dessa hexagoner bildade parallella
skikt vilket ger strukturen ett utseende
liknande grafit.
Kristallstrukturen för is.
Penicillin (1945)
Barnes arbetade inte enbart vid en temperatur utan han karaktäriserade is från 0
till –183 °C genom att använda en kryostat
som arbetade med flytande luft. Att sätta
upp experimenten var en utmaning, för
att inte tala om att analysera alla diffraktogram. På den tiden fanns inga datorer
utan det handlade om att studera alla reflexers intensitet och matcha starka med
starka och svaga med svaga.
Idag vet vi att den struktur Barnes bestämde förklarar många av de egenskaper
som utmärker fruset vatten, från snöflingor
till havsis.
Ferrocen (1952)
tänkte, hur kunde dessa Harvardkemister komma med sådana förslag med så
lite bevis; att de vågade?
Dunitz delade sina tveksamheter med
Leslie E Organ, även han vid Oxford, dock
som teoretisk kemist. De två bestämde
sig för att övertala en organisk kemist
de kände att framställa kristaller av ferrocen. Dessa använde Dunitz för att lösa
kristallstrukturen. Den visade att Harvards förslag var rätt. Dunitz publicerade strukturen tillsammans med Orgels
förklaring av ferrocens stabilitet där han
använde molekylorbitalmetoden.
Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 10 Oktober 2014
Illustration Michael Ströck/Wikimedia Commons
Det krävdes en kristallograf för att bevisa att det djärva förslaget på en sandwichstruktur för ferrocen var korrekt. Den 15
december 1951 rapporterade Peter L Pauson
och Thomas J Kealy, vid Duquesne University i Pittsburg, en ny typ av järnorganisk
förening. De föreslog att deras gula kristaller bestod av två cyclopentadienmolekyler som vardera band till järnatomen med
en enkelbindning. Även en annan forskargrupp som framställt ferrocen föreslog
strukturen C5H5-Fe-C5H5.
Kemisterna Robert Burns Woodward och
Geoffrey Wilkinson vid Harvard University
läste Pauson och Kealys artikel och trodde att den struktur de föreslog var fel. Istället föreslog de en struktur
där järnatomen satt mellan
de två parallella cyklopentadienringarna i en sandwichstruktur, en struktur som
var oortodox till och med revolutionär enligt många kemister på den tiden.
Jack D Dunitz var 1951
forskare vid University
of Oxford och minns att
han var mycket skeptisk
till strukturförslaget. Han
3D-modell av ferrocen.
Idag anses penicillin vara en ganska
liten molekyl med sina 41 atomer. Men
när Dorothy Crowfoot Hodgkin bestämde
dess atomstruktur 1945 var det den största molekyl som strukturbestämts med
röntgenkristallografi.
När forskarna 1943 bestämde att penicillinmolekylen innehöll en svavelatom fanns det två hypoteser om möjliga strukturer och kring dessa uppstod
det en strid.
Kristallstrukturbestämningen satte
dock punkt för kontroversen. I maj 1945
visade Hodgkins röntgendata att det var
β-lactammodellen som var den riktiga.
Hodgkin och hennes kollegor växte
kristaller av natrium-, kalium- och rubidiumbenzylpenicillin, den form som
då kallades penicillin G i USA och H i
England. Elektrontäthetskartorna bildade inte en isomorf serie vilket gjorde
strukturbestämningen besvärlig. Hodgkin tvingades rita projektioner av de olika
strukturerna i samma skala och sedan
rotera dem tills så många som möjligt
av reflexerna sammanföll.
Eftersom det var krigstider var allt arbete om penicillin hemligstämplat och
strukturen offentliggjordes inte förrän
i december 1945 och då endast preliminärt. Den fullständiga strukturen publicerades först fyra år senare.
Natriumrubidium(+)-tartrat (1951)
1952 rapporterade en kristallograf vid
Utrecht University i Holland, Johannes M
Bijvoet, en kristallstruktur som skulle förändra den organiska kemin. Bijvoets bestämning av strukturen för natriumrubidium-(+)-tartrat var första gången man
lyckats bestämma en organisk förenings
absolutkonfiguration experimentellt.
De organiska kemisterna kunde äntligen koppla de molekylära egenskaperna för ett optiskt aktivt ämne med dess
absolutkonfiguration. Bijvoets arbete
innebar även ett stort steg framåt för
röntgenkristallografin.
Ett år efter att han publicerat strukturen flyttade Bijvoet sitt labb till sin ombyggda villa som hans studenter kallade
Kristallpalatset. Där bodde han tills han
pensionerades 1962. Han avled 1980
vid 88 år ålder.
25
kristallografins år 2014
DNA (1953)
Rosalind Franklin vid mikroskopet.
Det är troligen den mest berömda molekyl som strukturbestämts, den numera
legendariska DNA-dubbelhelixen. Även
om röntgendiffraktion spelade en viktig
roll när James D Watson och Francis H C
Crick 1953 kom på lösningen, så var det
inte en strukturbestämning av DNA som
gjorts. Den kom först 20 år senare och då
från Alexander Rich vid MIT.
De diffraktionsdata som inspirerade
Watson och Crick var inte från en kristall.
Istället hade Rosalind Franklin och hennes
student R G Gosling fått fram ett diffraktionsspektrum från fibröst DNA. Dessa
data hade Crick och Watson fått tillgång
via Max F Perutz som ansvarade för labbet
han och Franklin arbetade
på. De visste också
från Erwin
Chargaffs
arbete att
adenin och
tymin liksom
Photo 51
guanin och cytosin
alltid fanns i ungefär samma proportioner i DNA.
Franklin dog 1958 av livmodercancer, vid en ålder av endast 37 år medan
Watson och Crick fick Nobelpriset i medicin och fysiologi 1963.
Vitamin B-12 (1956)
Shutterstock
I början av 1900-talet ordinerade läkare
en diet av rå bifflever till dem som led av
pernicös anemi (en sorts blodbrist). Orsaken till den dödliga sjukdomen visade sig
vara brist på vitamin B-12. Lester Smiths grupp
vid Glaxo lyckades 1948 isolera vitaminet
samtidigt med en grupp från Merck.
Kemisterna vill omedelbart bestämma
dess kemiska formel och struktur. Smith
sände därför de rubinröda kristallerna av
vitamin B-12 till Dorothy Crowfoot Hodgkin vid University of Oxford som tidigare
bestämt strukturen för penicillin.
Med sina omkring 100 icke-väteatomer
var vitamin B-12 den mest komplicerade
struktur kristallograferna försökt strukturbestämma. Det tog dem sex år att få
fram kristallstrukturen och det mycket
tack vare att vitamin B-12 innehåller en
koboltatom.
Jenny P Glusker, numera professor emeritus vid Fox Chase Cancer Center, var
doktorand i Hodgkins labb under denna
tid. Hon mindes hur de samlade diffraktionsdata och uppskattade intensiteter för
alla reflexer med ögat och sedan hittade
koboltatomen. Varje elektrondensitetskarta tog sedan sex veckor, dag och natt,
att beräkna, trots att man hade tillgång till
den tidens superdator.
Detta var första gången biokemister
hade sett en kobolt-kolbindning vilket beredde vägen för vidare framsteg i gränsområdet mellan oorganisk kemi och biokemi.
Hodgkin demonstrerar strukturen av
vitamin B-12 med en modell.
1964 fick Hodgkin Nobelpriset i kemi
för att bestämt kristallstrukturen för Vitamin B-12 och andra föreningar som t.ex.
penicillin. Hon fortsatte senare med att
också lösa kristallstrukturen för insulin.
Vitamin B12
Lysozym (1965)
Den 5 november 1965, endast fem månader efter att den första strukturbestämningen av ett protein publicerat i Nature,
gav David C Phillips en föreläsning där han
berättade om arbetet med att strukturbestämma lysozym. Det var det första protein
vars struktur bestämts med röntgenkristallografi, och det med en upplösning på 2 Å.
Publiken som var ute efter lite fredagsunderhållning förundrades över den modell Phillips tagit med sig till föreläsningssalen vid Londons Royal Society.
26
Hängande från taket var en över 10
meter lång kedja av de 129 aminosyrorna enzymet bestod av. På bänken
bredvid honom stod en modell av
samma kedja veckad till sin riktiga form, bara någon meter i
diameter. Veckningen, förklarade Phillips, låste fast strukturen på ett sätt som gav enzymet dess katalytiska aktivitet.
3D-strukturen visade också enzymets aktiva säte.
Lysozym
Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 10 Oktober 2014
Transfer –RNA (1973)
Den tredimensionella strukturen av
transfer-RNA (tRNA) bestämdes av Alexander Rich och hans medarbetare vid
MIT 1973, men det var inte lätt. Historien om hur man går från att inte veta
något till att veta allt består av massor
av hårt arbete, säger Rich, numera en
pigg 89-åring som bor i Wood Hole,
Massachusetts.
tRNA plockar upp aminosyror i cellen
och levererar dem till de proteinbyggande
ribosomerna. Där är det messenger-RNA
(mRNA) som guidar tRNA så att rätt aminosyra inkorporeras till den växande proteinkedjan.
Robert W Holley vid Cornell University och andra med honom föreslog att
tRNAs aminosyrasekvens skulle veckas
så att det bildades ett mönster i form
av en treklöver. Det tog Rich och hans
medarbetare tre år bara att växa användbara kristaller. Nyckeln visade sig vara
Transfer-RNA
en polyamin som kallas spermin, som
de använde för att stabilisera tRNA. Den
struktur de till slut fick fram bekräftade
treklöverteorin.
Nitroprussidjonen (1993)
Foto Matt Beardsley
Fråga en kemist efter den molekyl som
inledde eran av kristallografiska studier
av kortlivade exciterade molekyler och
många skulle svara nitroprussidjonen, trivialnamnet för pentacyanonitrosylferrat(II).
Installation av ett nytt instrument (LAMP)
vid SLACs Linac Coherent Light Source
röntgenlaser.
När röntgenkällorna blev mer sofistikerade blev det möjligt att studera molekyler
även i sina exciterade tillstånd.
Nitroprussidjonen antog man hade ett
fotoinducerat exciterat tillstånd med en
livslängd på mer än två timmar, vid låga
temperaturer. I början av 1990-talet tyckte
professor Phil Coppens vid University of
Buffalo (SUNY) att detta tillstånds långa
livslängd borde göra den till en lämplig
kandidat för att inleda kristallografiska
studier av exciterade tillstånd.
Han lyckades, och i en publikation
1994 rapporterade hans forskarlag vad
som hyllades som den första kristallstrukturen av en struktur i sitt exciterade tillstånd.
Coppens och hans kollegor upptäckte
dock snart att nitroprussidjonen de strukturbestämt inte var i sitt exciterade till-
stånd. Istället var det en fotoinducerad
omvandling där NO-gruppen band till metallen på ett annat sätt.
Coppens och andra började nu använda
synkrotronstrålning för att studera dynamik med atomär upplösning. Slutligen
år 2002 kunde Coppens grupp rapportera vad de ansåg vara den första exciterade molekylen som strukturbestämts.
Det var en tvåkärnig platinakomplexjon ,
[Pt2(P2O5H2)4]4- som hade exciterat tillstånd med en livslängd på endast 50 mikrosekunder. Vid excitationen kortas Pt-Pt
bindningen med 0.28 Ångström
Nya frielektronlasrar kan producera
röntgenstrålning med miljarder gånger högre intensitet än synkrotronljusanläggningar, vilket ger nya möjligheter
till strukturstudier av kemiska reaktioner.
GPCR-G proteinkomplex (2011)
Det är den mest ångestladdade scenen i Pulp fiction: Den panikslagne torpeden John Travolta måste återuppliva
Uma Thurman från en heroinöverdos
och trycker en spruta fylld med adrenalin
rakt in i hennes hjärta. Filmen hade premiär 1994. Då visste inte forskarna vad
det var som gjorde att den mycket gamla
medicinen fungerade.
Idag är bilden klarare, tack vare strukturbestämningen av de proteiner som
adrenalin binder till, de s k G-proteinkopplade receptorerna (GPCR). Dessa
proteiner korsar cellmembranen sju gånger och
överför information från
hormoner, neurotransmittorer och även ljus.
Denna grupp av protein är målet för så många
Brian Kobilka som 50 procent av alla lä-
kemedel på marknaden. Den första kristallstrukturen av GPCR dök upp år 2000
för att efter 2007 bli många fler.
Brian K Kobilka vid Stanford University, som väckte strukturfrågeställningen, delade Nobelpriset i kemi 2012. Han
anser att GPCRs struktur inte kunde ha
bestämts utan de tekniska framsteg som
gjorts på många labb.
Några sådana framsteg var hur man stabiliserar protein. Ett annat genombrott kom
genom utvecklandet av mycket fokuserad
och intensiv röntgenstrålning. Detta gjorde
det möjligt att samla in data för de mycket
små GPCR-kristaller man lyckades få fram.
Ingen har ännu löst strukturen för något
mer GPCR-G proteinkomplex. Vi behöver
definitivt fler, säger Kobilka. KB
Illustration av proteinkomplexets
kristallstruktur med receptorn
i blått, hormonet i orange som
binder till utsidan av komplexet
med G-proteinet i rött på insidan.
Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 10 Oktober 2014
27