کشفی ۱۰۰ ساله که هنوز به گرفتن جایزه‌ نوبل‌ کمک می‌کند

در بیابان خشک مریخ، رباتی به دنبال پاسخ می‌گشت.

سیزده سال پیش، در سال ۲۰۱۲ مریخ‌نورد «کنجکاوی» ناسا، مشتی شن را برداشت، آن را بلعید و پرتوهای ایکس را به آن تاباند. می‌خواست بفهمد این شن از چه ساخته شده است و شاید نشانه‌هایی از وجود تاریخی آب در مریخ را آشکار کند؛ چرا که هر آبی در این دشت سرخ و پرغبار مدت‌ها پیش ناپدید شده بود.

نزدیک به یک قرن پیش‌تر، در سال ۱۹۱۵، ویلیام براگ و پسرش لارنس براگ برای کارشان روی بلورنگاری (کریستالوگرافی) پرتو ایکس جایزه نوبل فیزیک دریافت کردند؛ روشی که با بررسی چرخش و انحراف پرتوهای ایکس هنگام برخورد با بلورها، امکان تعیین ساختار اتمی و مولکولی آنها را فراهم می‌کرد.

ماده‌های بسیاری، از پروتئین‌های ریز گرفته تا فلزات، می‌توانند بلور تشکیل دهند. بلورشناسی پرتو ایکس به «معیار طلایی» برای نشان دادن نحوه کنار هم قرار گرفتن اجزای ماده تبدیل شد.

روی زمین، مایکل ولبل از دانشگاه ایالتی میشیگان مشتاقانه منتظر داده‌های مریخ‌نورد کنجکاوی بود. این نخستین بار بود که بلورنگاری پرتو ایکس روی سیاره‌ای دیگر انجام می‌شد.

او به یاد می‌آورد: «من در تمام مدت ماموریت را دنبال می‌کردم.»

تحلیل‌های کنجکاوی جزئیاتی از محتوای آب موجود در کانی‌های مریخ را آشکار کرد. این یافته‌ها به فرضیه‌ای اعتبار بخشیدند - هرچند هنوز به صورت قطعی ثابت نشده – که مریخ تا چند صد هزار سال پیش دارای پهنه‌های بزرگ آب بوده است.

ولبل می‌گوید: «بالاخره می‌توانیم در این زمینه درک شفاف‌تری داشته باشیم.»

دانستن اینکه مواد از چه ساخته شده‌اند، به ما امکان انجام کارهای شگفت‌انگیزی را داده است. تحلیل ساختارهای اتمی و مولکولی به دانشمندان کمک کرده دارو بسازند، رازهای دی-ان-ای را کشف کنند و حتی باتری‌های بهتری طراحی کنند.

می‌توان گفت بلورنگاری پرتو ایکس اهمیت زیادی دارد، چون در تعداد زیادی از جوایز نوبل نقش پررنگی داشته است. بعضی‌ها می‌گویند بیش از بیست جایزه و با این حال، کمتر کسی می‌داند این تکنیک چقدر شگفت‌انگیز است.

الگوهای منظم

این روش به بلورها وابسته است؛ چون وقتی پرتو ایکس به ساختار منظم یک بلور می‌تابد، الگویی منظم از انحراف نور به دست می‌آید، علامت‌های دقیقی که مربوط به ماهیت شیمیایی همان ماده هستند.

اگر تا به حال مدل‌های «توپ و میله» مواد شیمیایی را دیده باشید، می‌دانید بلورشناسان با اشعه‌ ایکس به دنبال چه هستند: پیدا کردن اینکه چه نوع اتم‌هایی در یک ماده وجود دارند و دقیقاً چگونه به هم متصل شده‌اند.

رویاندن این بلورها می‌تواند دشوار باشد، به‌ویژه وقتی با چیزی مثل پروتئین کار کنید. شرایط باید دقیقاً مناسب باشد.

کریستال استاربرد، بلورشناس در دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، می‌گوید: «گاهی صدها بار تلاش می‌کنم، با مواد شیمیایی، دماها یا سطح رطوبت متفاوت تا بالاخره جواب بدهد. او با شوخی اضافه می‌کند:« من با لذتی که دیر بدست میاد مشکلی ندارم.»

برای انجام این نوع تحلیل‌ها، یکی از مراحل ابتدایی که استاربرد انجام می‌دهد، گرفتن مثلاً یک نوع پروتئین و یافتن راهی برای بلورسازی آن در مقیاس خیلی کوچک است. همان‌طور که آب هنگام یخ زدن کریستال‌های یخ می‌سازد، پروتئین‌ها هم می‌توانند در شرایط خاص، کریستال‌های بسیار کوچکی تشکیل دهند.

یکی از دانشمندانی که احتمالاً می‌توانست با این چالش‌ها همزادپنداری کند، دوروتی هاجکین بود. او از دهه ۱۹۳۰، به مدت ۳۴ سال، از بلورشناسی پرتو ایکس برای کشف ساختار انسولین استفاده کرد؛ هورمونی که به کنترل سطح قند خون کمک می‌کند.

در مورد هاجکین، به‌دست آوردن بلورهای انسولین خیلی سخت نبود. اما از آن‌جا که انسولین حدود ۷۸۸ اتم دارد، زمان زیادی طول کشید تا او با روش‌های اولیه بلورشناسی پرتو ایکس، کل ساختار آن را ترسیم کند.

دستاورد او تولید انبوه انسولین را برای درمان دیابت آسان‌تر کرد. بیماری‌ که وقتی بدن قادر به تولید انسولین نیست بروز می‌یابد.

السپت گارمن از دانشگاه آکسفورد که هاجکین را به‌خوبی می‌شناخت می‌گوید: «او الهام‌بخش فوق‌العاده‌ای بود.»

زنان موفق

گارمن تاکید می‌کند که زنان زیادی در بلورشناسی پرتو ایکس سرآمد بوده‌اند.

علاوه بر هاجکین، روزالیند فرانکلین هم بود که تصاویرش با پرتو ایکس از دی-ان-ای را فرانسیس کریک، جیمز واتسون و موریس ویلکینز برای کشف ساختار پیچیده دی-ان-ای به‌کار گرفتند. کشفی که در سال ۱۹۶۲ جایزه نوبل پزشکی را برای آن‌ها به همراه داشت. بسیاری معتقدند فرانکلین برای نقش مهمی که در این کشف داشت اعتبار کافی دریافت نکرد.

بلورشناسی پرتو ایکس همچنین در کارهای جدیدتر برندگان نوبل هم نقش داشته است، از جمله جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۲۰ برای فناوری ویرایش ژنوم که ریشه در مطالعات بلورشناسی دارد.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای بلورشناسی پرتو ایکس کشف دارو است. این روش به دانشمندان کمک کرده تا برای کم‌خونی داسی‌شکل و حتی برخی سرطان‌ها دارو پیدا کنند.

راب ون مونتفورت، سرپرست گروه در مرکز کشف داروی سرطان در مؤسسه تحقیقات سرطان بریتانیا می‌گوید: «بلورشناسی پرتو ایکس تصویر دقیقی از این‌که یک ترکیب شیمیایی دقیقاً چگونه به مولکول متصل می‌شود در اختیارمان می‌گذارد،»

پژوهشگران همچنین از این روش برای بررسی مواد سازنده باتری‌ها استفاده کرده‌اند، فناوری‌ کلیدی برای گذار از سوخت‌های فسیلی.

باتری‌های لیتیوم-یونی با حرکت یون‌های لیتیوم بین لایه‌های ماده کار می‌کنند و این رفت‌وآمد است که امکان شارژ و دشارژ انرژی را فراهم می‌کند.

فیل چیتِر، سرپرست گروه بلورشناسی در مرکز علمی «دایموند لایت سورس» بریتانیا می‌گوید: «حفظ ساختار این لایه‌ها برای طول عمر باتری‌ها بسیار حیاتی است» اما این لایه‌ها ممکن است به مرور زمان از بین بروند و بلورشناسی پرتو ایکس می‌تواند دقیقاً نشان دهد چگونه.

نگاهی نزدیک‌تر به یخ دنباله‌دار

برخی معتقدند توانایی هوش مصنوعی در پیش‌بینی ساختارهای مولکولی ممکن است نیاز به بلورشناسی پرتو ایکس را کمتر کند. اما استاربرد هشدار می‌دهد که هنوز ساختارهای زیادی وجود دارد که هوش مصنوعی نمی‌تواند به‌خوبی پیش‌بینی کند.

او می‌گوید: «خیلی‌ها فکر می‌کنند بلورشناسی به‌زودی تمام خواهد شد چون ما حالا هوش مصنوعی داریم، اما واقعیت این است که هنوز خیلی از آن نقطه فاصله داریم.»

براگ‌ها، احتمالاً از شنیدن این خبر خوشحال می‌شدند. چون دستگاه‌های بلورگرافی پرتو ایکس ممکن است در آینده ماجراجویی‌های هیجان‌انگیزتری را تجربه کنند. ولبل پیشنهاد می‌دهد یکی از آن‌ها را به یک دنباله‌دار دوردست که به دور خورشید می‌گردد بفرستیم.

او می‌گوید: «وای! دلم می‌خواست ببینم یخ دنباله‌دار چه شکلی است.» او از ترکیب‌های هیجان‌انگیز و غیرمعمولی سخن می‌گوید که شاید اگر بتوانیم یخ را از نزدیک بررسی کنیم، آن را بفهمیم. «فکر می‌کنم واقعاً شگفت‌انگیز باشد.»

این مطلب با همکاری مرکز ترویج جایزه نوبل و بی‌بی‌سی تهیه شده است.