روش‌های جدید پرتو x و ساختار سه‌بعدی مولکول‌ها

استفاده از بلورنگاری پرتو x، که در مطالعة ساختار اتمی مواد بلوری به کار می‌رود، برای مطالعة مولکول‌های پیچیدة آلی نیز ضروری است. به عنوان نمونه، اخیراً یک گروه شش نفری از دانشگاه‌های هاروارد و استنفورد، پس از سال‌ها کاوش نمونه‌های بلوری، بالاخره توانسته است ساختار بسیار پیچیدة آنتی‌ژن سازگاری بافت زنده، A2 ـ HLA، کشف کند.
مسئلة عمده، استخراج اطلاعات سه بعدی از لکه‌هایی است که باریکه‌های پراشیده بر روی فیلم یا در یک وسیلة آشکارساز دیگر تولید می‌کنند. شدت هر لکه و موقعیت آن بر روی فیلم، اطلاعات زیادی دربارة هویت و موقعیت اتم‌هایی که باریکه از آن‌ها پراشیده می‌شود، به دست می‌دهد. اما برای اینکه مدل دقیقی از بلور به دست بیاوریم، لازم است فاز موج باریکة پراشیده را به هنگام برخورد با فیلم بدانیم.
تکنیکی که روبرتو کوللا از دانشگاه پردو و کون‌شن از دانشگاه کورنل ابداع کرده‌اند می‌تواند ابزار قدرتمند جدیدی را برای تعیین فاز در اختیار پژوهشگران قرار بدهد. این دو محقق از فرآیندی استفاده کرده‌اند که نزد متخصصان بلورنگاری کاملاً معروف است؛ اگر بلور سمتگیری معینی داشته باشد باریکه در داخل بلور از یک صفحه نمی‌پراشد بلکه به طور همزمان از دو صفحه می‌پراشد و به دو باریکة روی هم افتاده تقسیم می‌شود.
کوللا و شن بلور را طوری قرار دادند که تنها یک باریکة پراشیده تولید کند. سپس آن‌قدر آن را چرخاندند تا باریکة پراشیده به دو باریکه تقسیم شود. اگر این دو باریکه هم‌فاز باشند همدیگر را تقویت می‌کنند و لکة روی فیلم روشن‌تر می‌شود؛ اگر ناهم‌فاز باشند، هم‌دیگر را خنثی می‌کنند و لکه محو می‌شود. با اندازه‌گیری این تغییر می‌توان فاز دو باریکة روی هم افتاده را نسبت به هم محاسبه کرد. با تکرار این فرایند و با قرار دادن بلور در وضعیت‌های مختلف، سرانجام می‌توان اطلاعات کافی دربارة ساختار سه‌بعدی آن به دست آورد.
اگرچه محققان از ده‌ها سال پیش از پراش چندگانه باریکه استفاده می‌کردند ولی در همین چند سال اخیر است که به کمک چشمه‌های سنکروترونی پرتو X و کامپیوتر توانسته‌اند داده‌های حاصل از این روش را تحلیل کنند. هنوز هم پیشرفت‌های دیگری لازم است؛ زیرا تاکنون با این روش فقط توانسته‌اند مولکول‌های آلی نسبتاً کوچک، مثل مولکول‌های بنزین را تحلیل کنند. به نظر بعضی محققان اگر این روش دقیق‌تر شود می‌تواند ساختار مولکول‌هایی را آشکار سازد که تکنیک‌های متداول از تحلیلشان عاجزند.
در یکی از این تکنیک‌ها، موسوم به جانشینی همریخت یک اتم سنگین مثل اتم طلا یا سرب در داخل مولکول قرار داده می‌شود. پرتوهای ایکسی که به شدت از این اتم سنگین پراشیده‌اند با پرتوهای ایکسی که از اتم‌های آلی سبک (عموماً هیدروژن، اکسیژن، و کربن) پراشیده می‌شوند تداخل می‌کنند. پژوهشگران همین مولکول را با اتم‌های سنگین دیگر "آذین" می‌بندند و سپس با مقایسة نقش‌های تداخل، می‌توانند محل اتم‌های سبک را در داخل مولکول مشخص کنند.
در روش‌های به اصطلاح مستقیم (که در اواخر دهة 1950 توسط جرور کارل از آزمایشگاه تحقیقاتی دریایی ایالات متحده و هربرت هاپت‌من از بنیاد طبی بوفالو ابداع شد) از تحلیل آماری برای تعیین فاز استفاده می‌شود. در این روش، روابط میان لکه‌های روی فیلم را در وضعیت‌های مختلف قرار گرفتن بلور بررسی می‌کنند؛ به عنوان مثال، اگر حاصل جمع مختصات فضایی سه لکة هم شدت، صفر شود فازهای آن‌ها باید یکدیگر را خنثی کنند. کارل، که به اتفاق هاپت‌من جایزة نوبل را دریافت کرد، می‌گوید چون در روش‌های مستقیم از نظریة احتمال استفاده می‌شود، گاهی اوقات این روش‌ها به نتایج نادرستی می‌انجامند؛ و اضافه می‌کند که اگر این روش‌ها با اطلاعات "قطعی" حاصل از آزمون‌های چند باریکه‌ای تکمیل شوند "می‌توانند خیلی سودمند باشند".
علاوه بر این، کارل خاطرنشان می‌کند که روش‌های مستقیم نمی‌توانند ساختار مولکول‌هایی را که بیشتر از صد اتم دارند، به طور دقیق مشخص کنند. از طرف دیگر، جانشینی هم‌ریخت نیز فقط در مورد مولکول‌هایی که بیشتر از 400 اتم دارند به کار می‌رود؛ مولکول‌های کوچک‌تر با اشکال می‌توانند یک اتم سنگین را در خود جا بدهند؛ این کار به قیمت تغییر شکل ساختار آن‌ها تمام می‌شود. کارل نتیجه می‌گیرد که اگر کوللا و شن بتوانند تکنیک تجربیشان را در مورد مولکول‌های متوسط به کار ببرند "گام بزرگی به پیش خواهند برداشت".