研究人员生成了一种纯锕化合物的晶体，通过显微镜观察，可了解锕如何与固体中的其他分子结合。图片来源：Jen Wacker/Berkeley实验室

锕元素最早于20世纪初被发现，但即使是近125年后的今天，研究人员仍然没有很好地掌握这种金属的化学性质。这是因为锕只能以极少量获得，并且处理放射性物质需要特殊的设备。但是，为了改善使用锕的新兴癌症治疗方法，研究人员需要更好地了解该元素如何与其他分子结合。

在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley实验室)领导的一项研究中，研究人员生成了含有锕的晶体，并研究了该化合物的原子结构。虽然元素通常表现得与元素周期表上较轻的“表亲“相似，但研究人员惊讶地发现，锕的表现与观察其对应物镧所预测到的不同。

发表在《Nature Communications》上的论文的第一作者、伯克利实验室的化学家Jen Wacker说：“这些元素的应用范围很广，从核能到医学再到国家安全，但如果我们不知道它们的行为方式，就会阻碍我们取得进展。” 

“我们看到这项工作对于真正了解这些放射性元素的复杂性是必要的，因为在很多情况下，使用它们的替代品不足以理解它们的化学性质。”

一个感兴趣的领域是在一种称为靶向α疗法(TAT)的癌症治疗方法中使用锕系同位素(Ac-225)，该方法已在临床试验中显示出前景。TAT方法使用生物递送系统，如肽或抗体，将放射性元素递送到癌症部位。

当锕衰变时，它会释放出短距离传播的高能粒子，摧毁附近的癌细胞，但不会伤害远处的健康组织。

Jen Wacker在Berkeley实验室处理锕样品。图片来源: Marilyn Sargent/Berkeley实验室

加州大学伯克利分校核工程和化学副教授、伯克利实验室重元素化学小组负责人Rebecca Abergel说：“现在有一种趋势，要设计更好的递送系统，将锕元素递送到特定的细胞并保持在那里。”

“如果我们可以设计蛋白质以非常高的亲和力结合锕，并与抗体融合或作为靶向蛋白，这将真正实现开发放射性药物的新方法。”

研究人员使用一种新颖的方法，仅使用5微克的纯锕来生长晶体 - 大约是一粒盐重量的十分之一，肉眼看不见。他们首先通过一个复杂的过滤过程来提纯锕，去除其他元素和化学杂质。

然后，他们将锕与一种称为配体的金属捕获分子结合，并将该束包裹在一种蛋白质内，这种蛋白质由弗雷德·哈钦森癌症中心的罗兰·斯特朗团队分离和纯化，构建了一种“大分子支架”。

这些晶体在重元素研究实验室内生长了一周，然后在液氮中低温冷却，并在伯克利实验室的先进光源（ALS）用X射线照射。X射线揭示了该化合物的3D结构，并显示了锕如何与周围原子相互作用。这是首次报道锕的单晶X射线结构。

伯克利实验室分子生物物理学和综合生物成像部门的科学家、ALS伯克利结构生物学中心团队负责人Marc Allaire说：“我在晶体学领域工作了40年，看到了很多东西，该团队使用的方法是独特的，提供了我们过去无法获得的细节。”

“据我所知，伯克利实验室是世界上唯一一个进行此类研究和测量放射性蛋白质晶体的地方。”

这幅图展示了锕(品红色)如何与其他分子结合的结构。红色三角形指出了这种排列与锕系元素的较轻对应物镧(灰色)的不同之处。结合分子(配体)的棒状结构被蛋白质中的口袋所包围。图片来源：Jen Wacker/伯克利实验室

在这项工作中，科学家们使用了锕-227，这是该元素中半衰期最长的同位素。未来的研究将探索锕-225（靶向α治疗的首选同位素），以寻找金属结合方式的其他变化。研究人员也有兴趣将锕与不同的蛋白质配对，以更多地了解其形成的结构。

Abergel表示：“这是一门非常基础的科学，是我们理解重元素化学的核心计划的一部分。”

“我们已经实现了一种技术上非常困难的实验方法，突破了同位素化学的界限，让我们更好地了解了这种元素。希望这能使我们和其他人能够开发出对靶向α治疗有用的更好的系统。”