化學家有時會從植物、海洋生物和其他天然來源中尋找開發下一代突破性藥物所需的基本成分。不幸的是，大自然並不總是願意輕易透露它的秘密，迫使科學家依賴先進的成像技術——例如核磁共振 (NMR) 波譜或質譜法——來破譯新發現的有機化合物的分子式，以便在實驗室中進行復制。
有時，這些新的化合物甚至會難倒最強大的實驗室裝置。蘇格蘭阿伯丁大學海洋生物發現中心 (MBC)的研究人員去年在研究一種細菌物種時就遇到了這種情況——Dermacoccus abyssi sp. nov.——該細菌是從太平洋馬裡亞納海溝（地球上最深的地方，約 11,000 米深）透過機器人潛艇採集的泥土樣本中發現的。當樣本產生一種他們無法識別的化合物時，研究人員嘗試使用高解析度質譜法來確定該化合物的成分，但無法確定其確切的分子結構。
阿伯丁的科學家們正在研究海洋生物作為新型化合物來源的潛力，這些化合物可用於開發治療癌症、炎症、感染和寄生蟲疾病的新療法。尋找新的天然化合物是必要的，因為大自然提供的化學多樣性遠比研究人員所能想到的要多得多，Rainer Ebel說，他是阿伯丁大學的一位講師，在海洋生物發現中心工作。“大自然是一位更具創造力的化學家，”他補充說。“我們不斷從自然界中發現新的模板，而合成化學物質則試圖在這些模板的基礎上進行改進。”
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當發現有希望的候選化合物時，科學家必須確定這些化合物的結構，以確定它們是否適合用於藥物開發。這種方法是成功的，尤其是在 20 世紀 60 年代末和 70 年代初，研究人員從太平洋紫杉樹的莖皮中提取了一種當時未知的化合物，後來發現它是抗癌藥物紫杉醇的關鍵成分 (pdf)。
分子中的每個碳原子和氫原子在核磁共振譜中都有一個確定的頻率，科學家使用該頻率來確定氫原子和碳原子是如何連線在一起的。然而，D. abyssi sp. nov.樣本中缺乏氫原子，這意味著核磁共振無法為阿伯丁的研究人員提供足夠的資訊來解開這個謎團。相反，科學家的努力使他們得到了四種可能的結構，但僅憑核磁共振資料無法排除任何一種。找到正確結構的唯一剩餘可能性是對擬議的結構進行化學合成，這是一項非常複雜的任務，可能需要幾個月的時間。
“我們基本上知道分子左下角和右上角是什麼，但我們無法將兩部分連線起來，”Ebel 說。這就像在沒有完成品照片的情況下解決拼圖遊戲。
去年年底，當 MBC 主任 Marcel Jaspars 的妻子回憶起她曾在倫敦《每日郵報》上讀到一篇 2009 年 8 月的文章時，研究人員取得了突破，該文章介紹了 IBM Research—蘇黎世的科學家團隊如何使用改良的原子力顯微鏡 (AFM) 來建立揭示單個分子中所有鍵的影像。《每日郵報》文章中配的一張照片顯示了五個碳環的六邊形形狀以及這些環周圍氫原子的位置。Jaspars 在第二天就拿到了 IBM 科學家的研究報告，並很快聯絡了首席研究員 Leo Gross。Jaspars 向 Gross 傳送了阿伯丁的神秘化合物樣本，IBM 於 1 月開始對其進行檢查。
原子力顯微鏡使用一個尖銳的探針來測量探針和樣本（如分子）之間的微小力，以建立影像。要使用原子力顯微鏡對分子的化學結構進行成像，探針需要非常靠近分子——小於一奈米。為此，IBM 的科學家們透過在探針上附著一個一氧化碳 (CO) 分子來提高探針的靈敏度。當它足夠靠近樣品時，覆蓋有二氧化碳的探針會感知到微小的排斥力，從而幫助揭示分子的原子尺度化學結構。“我將其比作透過縮小畫素來提高計算機螢幕的解析度，”Jaspars 說。
“你通常不會使用原子力顯微鏡，因為解析度不夠好，”Jaspars 指出。在 IBM 精心調校原子力顯微鏡之前，它被用來觀察蛋白質，蛋白質比 Jaspars 和 Ebel 需要研究的樣本大得多。
到 2 月底，IBM 的研究人員發現，這種神秘化合物的身份是頭孢蘭酮 A，一種已經知道的化合物，最初是從臺灣蘭花中分離出來的。研究人員在 8 月 1 日出版的《自然化學》雜誌上描述了對頭孢蘭酮 A的鑑定過程，這是 IBM 改良的原子力顯微鏡技術首次被用來確定未知分子的結構。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）《每日郵報》文章中提到的分子是並五苯，一種常用於太陽能電池的著名物質。
Jaspars 說，到目前為止，頭孢蘭酮 A 在阿伯丁的研究人員進行的大多數測試中都被證明是不活躍的，儘管進一步的測試仍在進行中。最終，對 IBM 技術的測試可能成為這項研究最重要的方面。
IBM 的技術需要數年才能變得常規化，尤其因為它很耗時，需要研究人員仔細準備原子力顯微鏡的探針和樣品。將樣品放置在原子力顯微鏡的表面上也不是一件容易的事，進行實際測量也不是。不過，IBM 以及位於加利福尼亞州卡爾弗城 Nanogea, Inc. （生產奈米粒子塗層以提高原子力顯微鏡探針和基底的精度）所做的工作對於擴充套件科學家研究分子結構的能力至關重要。