Röntgenkristallograafia on üks täpsemaid ja laialdaselt kasutatavaid meetodeid, et määrata molekuli täpne kolmemõõtmeline struktuur. Aatomi elektronpilv hajutab või „painutab” röntgenkiirgust väikese nurga võrra, ja selle hajumise tulemuseks on difraktsioonimuster. Sellest mustrist — koos matemaatiliste teisendustega — saadakse elektrontiheduskaart, millelt saab tuletada aatomite positsioonid. Meetod toimib nii orgaaniliste kui ka anorgaaniliste molekulide puhul ning enamikul juhtudel proov ei hävine protsessi käigus.

Tehnika leiutasid ühiselt Sir William Bragg (1862–1942) ja tema poeg Sir Lawrence Bragg (1890–1971). Nad said 1915. aastal Nobeli füüsikapreemia oma töö eest röntgenkiirguse difraktsiooni alal; Lawrence Bragg on siiani noorim Nobeli preemia laureaat. Ta oli Cambridge'i ülikooli Cavendishi laboratooriumi direktor, kui 1953. aasta veebruaris avastasid James D. Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins ja Rosalind Franklin DNA struktuuri — avastus, millele röntgenkristallograafia andis olulise panuse.

Röntgenkristallograafia vanim ja kõige lihtsamini mõistetav vorm on röntgendifraktsioon (XRD): röntgenkiirgus suunatakse üksikkristallile ja kristallist hajunud kiirguse muster registreeritakse detektoril. Neid mustreid analüüsides on võimalik määrata kristallis paiknevad aatomid, üksikkristalli mõõtmed (üksikühik ehk unit cell) ja symmeetia. Erinevalt mõnest teistest meetoditest ei anna XRD otseselt pilti, vaid andmed tuleb muuta elektrontiheduskaardiks kasutades Fourier-transformatsiooni ja seejärel sobitada aatomimudel selle kaardiga.

Kuidas see töötab lühidalt

  • Röntgenkiirgus ja difraktsioon: aatomite elektronid peegeldavad röntgenkiirgust, mille tagajärjel tekib difraktsioon ning erinevate nurkade alt registreeritud signaalide tugevus sõltub aatomite paiknemisest.
  • Bragg’i seadus: difraktsioonitingimusi kirjeldab tuntud Bragg’i valem 2d·sinθ = nλ, kus d on tasandite vaheline kaugus kristallis, θ on sisenurga pool ja λ on röntgenikiirguse lainepikkus.
  • Elektrontihedus ja modelleerimine: mõõdetud intensiivsustest saab arvutada elektronitiheduse ja sealt edasi paigutada aatomimudeli, mis seejärel refineeritakse sobivuse parandamiseks.

Katse käik praktiliselt

  • Kristallimine: vajalik on hästi korralik üksikkristall (teatud suurus ja kvaliteet). Kristallide kasvatamine on sageli keerulisim osa, eriti biomolekulide puhul (valgud, nukleiinhapped).
  • Andmete kogumine: kristall paigutatakse diffraktomeetri (röntgenallikas + goniomeeter + detektor) ette; tänapäeval kasutatakse tavaliselt ka külmkaptaegset (cryocrystallography) meetodit, et vähendada kiirguskahju.
  • Andmetöötlus: kaadrite integreerimine, tasandite intensiivsuste väljatõmbamine ja andmete skalaarimine annab sisendi struktuuri lahendamiseks.
  • Struktuuri lahendamine: faaside probleem (intensiivsus ei sisalda faasiinfot) paikneb sageli lahendamisel — kasutatakse molekulaarset asendust (molecular replacement), isomorfset asendamist või anomaalset hajumist.
  • Refineerimine ja valideerimine: aatomimudelit sobitatakse elektrontihedusega, optimeeritakse parameetreid ja kontrollitakse kvaliteeti mõõdikutega nagu R-factor, free-R ja geomeetria sobivus.

Erinevad XRD-variandid

  • Üksikkristalli XRD: annab kõige detailsema 3D-struktuuri ja võimaldab määrata individuaalsete aatomite koordinaate.
  • Pulbriline XRD (powder XRD): kasutatakse amorfsemate või peenestatud proovide faasikoostise ja kristallstruktuuri uurimiseks, kuid see ei annaks tavaliselt sama üksikasjalikku 3D-aatomistruktuuri nagu üksikkristalli XRD.

Rakendused

Röntgenkristallograafiat kasutatakse laialdaselt:

  • kemias ja anorgaanikas aatomite ja sidemustrite määramiseks;
  • biokeemias ja farmakoloogias valkude, ensüümide ja ravimimolekulide struktuuride lahendamiseks (struktuuripõhine ravimdisain);
  • materjaliteaduses uute tahkismaterjalide ja pooljuhtide uurimisel;
  • mineraloogias ja arheoloogias esemete koostise ning kristallstruktuuri tuvastamisel.

Piirangud ja täiendavad meetodid

Tämmelised piirangud on seotud vajadusega saada hea kvaliteediga kristalle; mõningaid molekule (näiteks mõned membraanvalgud) on raske kristalliseerida. Kiirguskahju võib kahjustada tundlikke proove, mistõttu kasutatakse sageli madalatemperatuurset andmekogumist. Lisaks on XRD-l faaside probleem, mis nõuab täiendavaid meetodeid lahendamiseks. Nendes olukordades või juhul, kui kristalle ei teki, kasutatakse täiendaid meetodeid nagu kriomikroskoopia (cryo-EM) või lahuslahenduse NMR.

Kokkuvõttes on röntgenkristallograafia (sh röntgendifraktsioon) võimas ja laialt kasutatav meetod molekulaarsete struktuuride määramiseks, mis on andnud olulise panuse nii fundamentaaluuringutesse kui ka rakendustesse nagu ravimite väljatöötamine ja materjalide disain.