甘氨酸在彗星上的结构

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

甘氨酸作为分子量最小、最简单的氨基酸，是生物体中不可缺少的组成成分之一。哪里有氨基酸的存在，哪里就可能有生命的存在。人类探索地球外生命的脚步从来没有停止过。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲太空署（ESA）在2009年和2016年分别验证了在彗星上存在甘氨酸。这些发现非常鼓舞人心：外太空很可能存在生命，而或许地球上的生命元素也是彗星带来的。既然甘氨酸存在于彗星，那它是以哪种形式存在的呢？最近一篇关于甘氨酸的文章也许能给出答案。

2001年，美国明尼苏达大学药学系Suryanarayanan教授的研究组通过液氮骤冷甘氨酸的水溶液，然后保持凝结的固体在208 K。他们通过粉末衍射的变化观察到一个新的甘氨酸晶相。十多年后，俄国新西伯利亚国立大学Boldyreva教授的研究组继续研究了这个新相，虽然她们在同步辐射实验室收集到了X射线粉末数据，但是数据的分辨率不够理想，加上该相总是与冰共存，结构仍不可以解析，因此被称为X相。

纽约大学的胡春华博士长期致力于晶体培养和X射线领域的研究，氨基酸一直是他感兴趣的研究方向。经过不断摸索实验条件，他发现骤冷在玻璃毛细管中的甘氨酸水溶液是最佳的生长X相甘氨酸的方法。为了得到高分辨率的数据，美国阿贡国家实验室的许文骞研究员帮助胡博士采集了新相的同步辐射X射线数据，得到的数据非常理想。但是由于共存冰的干扰，直接从X射线数据无法解出其结构。这种情况下，胡博士想到与内华达大学的朱强教授合作，朱博士擅长运用量子力学原理结合先进优化算法预测晶体的结构，这一方法适用于有挑战的结构解析。朱博士很顺利地从能量分布图上找到了新相的结构。这个结构的模拟X射线谱图和实验结果非常一致。新相是甘氨酸的二水合物，这是其他研究组完全没有预料到的。这个结构相当新颖，它具有很多特点，比如甘氨酸和甘氨酸分子之间及水分子和水分子之间距离较远，相同的分子间没有任何强相互作用，这在已知的12种其他氨基酸水合物中根本不存在。

这一新发现近期发表在知名化学期刊《德国应用化学》上，许文骞博士为第一作者，朱强和胡春华博士为共同通讯作者。

该论文作者为：Wenqian Xu, Qiang Zhu, Chunhua (Tony) Hu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

The Structure of Glycine Dihydrate: Implications for the Crystallization of Glycine from Solution and Its Structure in Outer Space

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 2030–2034, DOI: 10.1002/anie.201610977

研究团队简介

许文骞，2011年于纽约州立大学石溪分校地球科学系取得博士学位，2011年至2014年在布鲁克海文国家实验室化学系从事博士后研究，2014年起在阿贡国家实验室任助理研究员，负责同步光源衍射线站17-BM的运行和开发。许文骞博士的研究兴趣包括异相催化化学、晶体化学和X射线结构解析，致力于研究和拓展原位X射线衍射及散射技术在材料学、化学，尤其是催化领域的应用，发表期刊论文70余篇，引用超一千次。

朱强，2013年于纽约州立大学石溪分校取得博士学位。2016年10月加入拉斯维加斯大学物理和天文系任助理教授。朱强教授主要从事有机多晶态新材料的预测、极端条件下材料结构的预测、材料缺陷和性能之间关系的研究、材料相变机制的探究等领域。朱强博士是享誉世界的晶体结构预测程序USPEX的主要开发者之一，这一程序已成功地应用于晶态（三维）和低维材料的结构预测和性能探究。近年来，朱强博士在晶体结构预测领域做出了出色的工作，在Nature 系列、Science、Phys. Rev. Lett.、JACS 等期刊发表研究论文30多篇，文章引用一千多次。该课题组目前新近成立，热情欢迎有志从事材料计算领域的同学访问或加盟。

胡春华，2004年在德国亚琛工业大学取得博士学位，2004年到2006年年在德国法兰克福大学从事博士后研究。他在美国内布拉斯加州大学林肯分校工作两年后，2008年到纽约大学化学系任研究教授。他的研究兴趣包括X射线衍射、晶体学、晶体工程学、多晶型、固态相变、结晶机理等。胡博士发表论文130多篇，包括Science、PNAS、Angew. Chem.、JACS、Chemical Science、Chem. Comm. 等专业期刊。

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？想法是怎么产生的？

A：作为自然界里含量最丰富的氨基酸，甘氨酸一直是个研究热点。在固态的时候，它可以存在六种不同的结构，是二十种人体必须氨基酸中最富多晶形的。正因为这样，甘氨酸常常被当作模型化合物用于多晶形和结晶的研究。一旦人们有了什么新想法或者新的研究手段，都爱用甘氨酸先试试。

Q：在研究过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：这个新相的发现其实是始于2001年，期间有几个组试图去解析该晶型的结构，但是都没有取得突破。我们首先对合成新相的制备工艺作了改进，这样我们能得到更好的样品。然后成功的在最好的国家实验室采集到了高分辨率的同步辐射X射线数据。最后通过计算模拟解析出这个新晶型的结构。这些过程步步都具有挑战性，环环相扣，缺一不可。另外，我们从三个不同研究机构高效的分工合作也是能顺利完成这些挑战的关键。

Q：本项研究成果的最大应用价值是什么？

A：之所以能发现六种不同甘氨酸的晶体结构，就是因为对它的研究是所有氨基酸中最多、最深入的。从水溶液里生长的甘氨酸都是以无水的结构形式存在的。以前的研究从来没想到过这个新相会是个二水合相。这样的话，我们很自然会想到，在无水氨基酸的结晶过程中，这个二水合相是个必经的中间体。这个设想能从以前的文献报道中得到旁证。我们正在进行后续工作，希望能通过更多的实验数据证明二水合相的结构基元是存在于溶液中和结晶初期的。简言之，二水合相的发现对了解尚未明了的甘氨酸结晶成核机理提供了新的实验支持。另外，二水相的发现对天文学的发展也具有重要的意义。前面提到了，彗星上有甘氨酸。我们都知道彗星上有大量水，而且温度很低，这和二水合相的形成条件很吻合。因此，我们大胆地推测，甘氨酸二水合物可能存在于彗星的冰中。希望我们的工作能受到太空研究领域的关注，期待有一天我们的假设能得到验证。最后，我们想强调这类研究模式是可以重复运用的。很多困难的问题，通过抽丝剥茧的方式，一步一个脚印，都可以迎刃而解。既然甘氨酸二水合相可以通过这样的方法结晶和解析结构，自然可以运用到其它和生命起源息息相关的生物小分子。我们相信不久会有更多的新发现呈现给大家。