Krystalografie bez krystalů

Rentgenová krystalografie patří mezi stěžejní analytické metody pro studium struktury látek, o čemž svědčí řada Nobelových cen napříč vědními obory, které s krystalografií souvisejí. Další Nobelova cena by mohla být v budoucnu udělena za převratné objevy, jež strukturní krystalografii posouvají o velký krok dopředu. Jejich společným jmenovatelem je protimluv v titulku – krystalografie bez krystalů.

Zřejmě od nepaměti je lidstvo fascinováno krystaly. Každý v dětství obdivně zkoumal krystaly křemene nebo slídy a považoval je za krásné.¹⁾ Příroda je plná materiálů, jejichž atomární struktura je přísně pravidelná, a proto i navenek působí uspořádaně. Není proto divu, že charakterizace krystalů se začala rozvíjet o mnoho dříve, než se cokoliv vědělo o jejich atomárním složení.

Když v roce 1895 Wilhelm Conrad Röntgen objevil elektromagnetické záření s vysokou energií, byla popisná krystalografie již etablovaným vědním oborem. Trvalo to ale ještě několik let, než Max von Laue se dvěma studenty poprvé namířil paprsky X na krystal síranu měďnatého a pozorovali jejich difrakci (česky ohyb). Brzy nato otec a syn Braggové²⁾ použili fotografie difraktovaného záření (tzv. difraktogram) k určení atomární struktury krystalů. A byly z toho tři Nobelovy ceny za fyziku: 1901 K. Röntgenovi, 1914 M. von Lauemu a 1915 oběma Braggům.

V této souvislosti nelze alespoň krátce nezmínit snad nejslavnější krystalografickou studii – objev pánů Watsona, Cricka a Wilkinse a madam Franklinové [1]. Ti pomocí difraktogramů krystalizované kyseliny deoxyribonukleové (DNA) určili její dvoušroubovicovou strukturu. První tři jmenovaní za objev získali v roce 1962 Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu, čímž předznamenali bouřlivý vývoj krystalografie v biologických vědách.

Vraťme se ale na chvíli zpět k počátkům rentgenové krystalografie. Při interakci elektromagnetického záření s látkou dochází k jeho difrakci. Výsledné difraktované záření je zcela nezajímavé. Zajímavé začne být za dvou předpokladů: a) pokud je látka uspořádána (např. je krystalická) a zároveň b) pokud má záření správnou vlnovou délku neboli energii. A právě rentgenové záření má tu správnou energii, o čemž se na počátku 20. století přesvědčil i německý vědec Paul P. Ewald, když před von Lauem v souvislosti s krystaly neúspěšně studoval záření z viditelné oblasti spektra (tj. s mnohem menší energií).

Difraktované záření vytváří pravidelné vzory, které lze pomocí Braggova zákona interpretovat a použít k určení atomární struktury. Čím je materiál lépe uspořádaný, tím jsou difraktogramy snáze „čitelné“. Proto prvními látkami, které měly tu čest být ozařovány rentgenovým zářením a jejichž atomární struktura byla určena pomocí jejich difraktogramů, byly látky, které se s oblibou v krystalické formě nacházejí: kuchyňská sůl, kalcit či spinel. Následovaly látky, se kterými se běžně nesetkáme a jejichž molekulová hmotnost, stejně jako strukturní složitost je větší (např. urotropin nebo barvivo ftalocyanin). Konečně na konci dvacátých let 20. století se podařilo v krystalické formě získat první biomolekulu – enzym pepsin. Dnes je rentgenová krystalografie považována za nejpřesnější a nejspolehlivější způsob určení struktury biomolekul, přestože má řadu nevýhod.

Biomolekuly jsou obecně velké a flexibilní, a proto krystalizují velmi neochotně. Získat kvalitní monokrystal vhodný pro rentgenovou difrakci je jedním z limitujících kroků určení jejich struktury. Je potřeba velkého množství vzorku, krystalizace je založena na principu pokus-omyl a bývá časově náročná. Znalost struktury biomolekul je ale zcela stěžejní, proto se časová investice může vyplatit. Bylo tomu tak ve skupinách T. A. Steitze, A. E. Yonathové a V. Ramakrishnana, kteří dostali Nobelovu cenu za chemii v r. 2009. Podařilo se jim získat unikátní krystaly ribozomu neboli buněčné továrny na výrobu bílkovin. Jeho velká podjednotka obsahuje téměř 65 000 nevodíkových atomů (oproti kuchyňské soli, kterou tvoří atomy dva), jejichž polohy se v krystalu pravidelně opakují, což umožnilo získat a vyhodnotit jejich difrakční obrazec.

Slibným rozšířením možností krystalografie se v současnosti stávají hybridní organické sítě (tzv. Metal-Organic Frameworks – MOFs, obr. 1). Jedná se o materiály složené z iontů kovů a organických molekul, jako je např. kyselina malonová nebo tereftalová. Ty vytvářejí třídimenzionální sítě s různě velkými a různě tvarovanými, přitom dobře definovanými póry. Hnacím motorem pro výzkum těchto hybridů je možnost využít póry ke skladování plynů, např. vodíku nebo oxidu uhličitého. Podobně jako u jejich čistě anorganických bratranců – zeolitů – existují snahy používat hybridní organické sítě ke katalýze chemických reakcí.

Na zcela novém využití hybridních organických sítí pracuje skupina M. Fujity na tokijské univerzitě. Tyto sítě mají pravidelné atomární uspořádání z definice a dobře krystalizují. Stejně pravidelné jsou i jejich póry, japonské vědce proto napadlo zaplnit póry molekulami a tyto molekuly studovat pomocí rentgenové krystalografie [2, 3] ( obr. 3). Protože jsou molekuly uvnitř pórů vždy stejně orientovány, jsou jejich difraktogramy dobře čitelné. Uspořádanost studovaných molekul tedy není zajišťována krystalizací, ale jejich umístěním do pravidelného porézního materiálu, tzv. krystalické houby (angl. crystalline sponge).

Největší výhoda tohoto přístupu je nabíledni: pomocí krystalické houby lze určit strukturu látek, které krystalizují neochotně, nebo vůbec. Povedlo se to např. u izoprenu, jehož teplota tání je –145 °C, nebo u extrémně reaktivních organických ozonidů. Uvnitř pórů se také povedlo vizuálně zachytit průběh chemické reakce (konkrétně bromace aromatického kruhu) na molekulární úrovni [4].

Nejdůležitějším aspektem objevů však je snadná cesta k automatizaci. Zdlouhavá tvorba krystalů studovaných látek je nahrazena jejich absorpcí do předem připravené krystalické houby. Množství potřebné k získání difraktogramu tímto dramaticky klesá, vědci dokázali určit strukturu látky, jíž měli k dispozici pouhých 50 ng (5 · 10^–8 g).

Zatím největší molekulou studovanou pomocí krystalické houby byl miyakosyne A, přírodní produkt mořské houby čeledi Petrosiidae s 31 nevodíkovými atomy, jehož strukturu se podařilo vyřešit včetně absolutní konfigurace všech jeho tří chirálních center. Zajímavou aplikací by jistě bylo studium biomolekul. Ty jsou zatím vzhledem k velikosti pórů bohužel příliš velké.

Rok 2014 byl Organizací spojených národů vyhlášen Mezinárodním rokem krystalografie. Na pozadí oslav, kulturních akcí a vědecké popularizace však probíhají objevy, díky nimž možná strukturní krystalografie brzy přijde o svůj v pravém slova smyslu základní kámen, tedy dobře vyvinutý monokrystal.

Inspirováno skvělou přednáškou prof. Fujity na ISXB 2014 v Porto Cesareo. Sepsáno k příležitosti Mezinárodního roku krystalografie.