光束線站

      第二系統系統概述:蛋白質晶體結構分析系統概述

        不同的蛋白質具有不同的三維結構,而不同的蛋白質結構則決定了蛋白質特定的功能。因此蛋白質結構的研究是蛋白質科學的核心內容之一。結構生物學采用許多方法對生物大分子的結構進行研究,其中X光晶體衍射是當前在原子水平上確定生物大分子結構的最有效手段。隨著晶體制備、數據收集、計算與圖像處理軟件系統的不斷完善和自動化能力的不斷提高,X射線晶體衍射已成爲蛋白質三維結構研究中的常規技術。因爲同步輻射X光的強度是目前常規實驗室轉靶X光機産生的X光強度的千萬倍以上;同時同步輻射X光的波長連續可調性及光束的高准直性也是普通X光源無法比擬的。它對蛋白質晶體學産生的直接結果是:晶體衍射的分辨率和數據質量顯著提高、對晶體尺寸的要求明顯降低、數據收集速度明顯加快、相位解析手段極大加強。最近十年利用同步輻射光源測定的晶體結構已占到所有蛋白質結構總數的65%,目前這一趨勢還在進一步加強。

        由于蛋白質晶體生長是一個非常複雜和困難的過程,對于很多蛋白質,尤其是膜蛋白,晶體生長十分困難,難以得到有序性好、尺寸較大的晶體。如果能夠對微小的晶體進行結構測定,則可以大大提高晶體結構測定的成功率與效率。當前國際上蛋白質晶體學線站發展的一個主要方向就是要實現高亮度、小光斑的光束,以能夠有效測定晶體尺寸小到5~10微米的蛋白質晶體結構。

        蛋白質複合物的結構是闡釋相互結合的蛋白質的功能的基礎,蛋白質複合物的結構研究已成爲結構生物學研究的重要前沿領域之一。其發展目標是要研究越來越複雜的蛋白質複合體系乃至具有系統功能的分子機器、細胞器,如病毒、核糖體複合物等。由于蛋白質複合物的結構複雜、分子量大,生長出的晶體往往都具有很大的晶胞尺寸,衍射能力弱。幾乎所有的研究對象均需要利用高亮度同步輻射光源才可能獲得具有原子分辨率尺度的三維結構信息,所以研究這類晶體的三維結構對同步輻射光源提出了更高的要求:高通量、低發散度。從目前國際上的該領域的發展狀況來看,能夠測定晶胞尺寸達到3000 Å的蛋白質複合物結構將能較好地滿足超大生物分子複合物結構測定的需求。

蛋白質的三維結構是研究蛋白質功能的基礎,也是基于結構的藥物設計和藥物篩選的基礎。生命科學和生物技術的發展對蛋白質結構信息的需求越來越強烈。另一方面,隨著蛋白質表達與結晶技術的發展,獲取蛋白質晶體的效率不斷提高,對蛋白質晶體結構測定效率的要求也越來越高。高度自動化的蛋白質晶體衍射數據采集已經成爲當前國際先進光源生物大分子晶體學光束線站的主流趨勢。

        蛋白質晶體結構分析系統包括三個具有不同特點的蛋白質晶體結構線站:1)BL18U1微晶體線站:針對微小蛋白質晶體結構測定的蛋白質微晶體結構線站,其目標是要能夠有效測定尺寸小到5~10微米的蛋白質晶體結構;2)BL19U1複合物線站:針對蛋白質複合物的蛋白質複合物晶體結構線站,其目標是要能夠實現晶胞尺寸達到3000 Å的蛋白質複合物結構;3)BL17B1高通量晶體結構線站:具有高度自動化功能的高通量晶體結構線站,實現快速、規模化、高效率的蛋白質晶體結構篩選與結構測定。這三個線站建成投入運行後,晶體結構分析系統將形成每年測定150個以上蛋白質結構的能力。

1.   蛋白質微晶體結構線站 BL18U1

        生物大分子晶體單色光衍射實驗最常用的波長範圍爲5~18 keV,這個波長範圍覆蓋了生物大分子晶體學中常用的重元素的吸收邊,如Se、Br、Zn、Cu、Fe的K吸收邊,Hg、Pt的L吸收邊以及S反常散射實驗的最佳波長。在此也選擇5~18keV作爲束線的主要工作能區。蛋白質微晶體結構線站在保證入射光高通量的前提下,照射至樣品處的光斑尺寸盡量小,以能夠測定外形尺寸小的蛋白質晶體結構。按目前的設計,聚焦光斑最小尺寸可達到10微米以下。

        由于光束的發散角與光斑尺寸是相互關聯的,在保持光通量損失基本不變的情況下,要得到更小的光束的發散角就必須增大聚焦光斑尺寸。光束的垂直發散角要求爲0.25mrad,水平發散角要求爲0.7mrad,應能夠充分滿足各類高分辨實驗要求。對于需要更小的光束發散角的情形可以通過采用狹縫進一步限束的方式來得到,但相應的光子通量也會有所降低。本實驗站采用低發射度的波蕩器産生的同步輻射X射線束,具有很高的亮度和非常好的光束准直性。

光束線設計主要指標:
       光子能量範圍: 5~18 keV
       ►能量分辨:    ≤ 2×10-4
       ►樣品處光通量: ≥6×1011 phs/s (12keV@300mA)
       聚焦光斑尺寸: ≤25μm2 (@12keV)

       光束發散角:   ≤0.7×0.25 mrad2 (@12keV)(H×V)

                                                          BL18U1:微晶體結構實驗站,采用MD2衍射儀,Pilatus3 6M探測器,Rigaku Actor機械手

2. 蛋白質複合物晶體結構線站BL19U1
        隨著結構基因組學研究的進展,蛋白質複合物的三維結構解析是蛋白質結構生物學研究的發展方向。由于蛋白質複合物的結構複雜、分子量大,生長出的晶體往往都具有很大的晶胞尺寸,衍射能力弱。所以研究這類晶體的三維結構對同步輻射光源提出了更高的要求:高光通量、低發散度。
        利用准直性很好的X射線光束進行衍射實驗,可以大大減小由于蛋白質晶體的不完整性引起的衍射點展寬,顯著提高衍射實驗數據信噪比,從而大大提高結構測定的分辨率,對于生物大分子複合物的晶體尤其如此。目前的生物大分子晶體實驗數據收集大多采用單軸(位于水平面內)旋轉法,減小光束的發散角可以大大降低蛋白質晶體的鑲嵌度(mosaicity)對衍射分辨的影響。蛋白質複合物晶體結構線站的主要技術特點是在保持高光通量的前提下實現光束的高准直性,其主要目標是能夠測定晶胞尺寸達到3000 Å的超大分子複合物結構,相應于對光束的發散角要求至少要小于0.2mrad。在此以0.1mrad作爲光束線站設計目標。

                                                     BL19U1:複合物晶體結構實驗站采用MD2衍射儀,Pilatus3 6M探測器,Rigaku Actor機械手

光束線設計主要指標:
       ►光子能量範圍: 7~15 keV
       ►能量分辨:     ≤ 2×10-4
       ►樣品處光通量: ≥1×1012 phs/s (12keV@300mA)
       ►聚焦光斑尺寸: ≤130×80μm2(@12keV)

       ►光束發散角:   ≤0.1×0.1mrad2(@12keV)(H×V)

3. 高通量晶體結構線站BL17B1
        隨著結構基因組學研究的進展,生物學家開始對蛋白質結構進行大規模的研究。隨著蛋白質結晶技術的發展,獲取蛋白質晶體的效率也逐步提高,所以對光束線機時的要求也越來越多,高度自動化的蛋白質晶體衍射數據采集已經成爲目前國際先進光源生物大分子晶體學光束線的主流趨勢。因此高度自動化將是此條光束線的主要目標。同時本條光束線還能夠實現生物大分子晶體學的主要實驗方法,多波長異常散射法,這個方法要求光束線的能量分辨率達到10-4,能量調節範圍比較大,能夠覆蓋大部分蛋白質所含重元素的吸收邊。

                                                    BL17B1高通量實驗站:采用MD2衍射儀,Rayonix MX300探測器,CATS機械手。
光束線設計主要指標:

       ►光子能量範圍: 5~20 keV
       ►能量分辨:     ≤ 2×10-4
       ►樣品處光通量: ≥3×1011 phs/s (12keV@300mA)
       ►聚焦光斑尺寸: ≤150×180μmm2(@12keV)
       ►光束發散角:   ≤1.5×0.2 mrad2 (@12keV)(H×V)


第五系統系統概述:蛋白質動態分析系統

       蛋白質動態分析系統由X射線小角散射站(BL19U2 Bio-SAXS)和時間分辨紅外譜學線站構成(BL01B)。本系統建立的實驗技術將對蛋白質複雜多樣的結構功能、相互作用和動態變化開展深入地研究,並在分子、細胞和生物體等多個層次上全面揭示生命現象的本質。
1. X射線小角散射線站
       X射線小角散射(SAXS)線站將以蛋白質在溶液狀態下的結構、動態變化和相互作用爲主要研究方向,重點開展以時間分辨爲主的動態過程研究工作。
目前SAXS技術已經能夠在亞秒的量級上觀察蛋白質結構的運動過程,以及在各種不同的溫度和壓力下蛋白質的折疊和去折疊過程。爲了對蛋白質折疊過程進行深入了解,就必須知道折疊時幾個基本過程的時間尺度和機制,包括二級結構(螺旋和折疊)的形成、卷曲、長程相互作用以及未折疊肽段的全面崩潰。這些研究將有助于理解蛋白質折疊機理。
       小角散射線站使用波蕩器光源以提供良好的光源性質,光束線的設計方案采用類K-B鏡聚焦模式,即光束的水平聚焦和垂直聚焦分別由2個壓彎柱面鏡完成,從而得到滿足實驗要求的聚焦光斑。

                                                                                              BL19U2:小角散射BioSAXS實驗站

主要技術指標:
       ►光子能量範圍: 7~15 keV
       ►能量分辨:    ≤5×10-4@12KeV
       ►樣品處光通量:  ≥4×1012 phs/s (@12keV,300mA)
       ►聚焦光斑尺寸: ≤380×110mm2 (@12keV) (H×V)
       ►光束發散角:  ≤0.1×0.04mrad2 (@12 keV) (H×V)

2. 時間分辨與譜學顯微紅外光束線站
       作爲基礎科學的紅外與遠紅外光譜學研究,在生物、化學等領域有著重要應用。一些物質的氣體分子的振動轉動譜,大分子(如蛋白質、核酸、醣類、脂類以及生物膜結構等)的振動轉動譜,晶態、非晶態固體的聲子譜,電子能譜都在紅外遠紅外波段。通過對這些光譜的觀察和分析可以弄清各種形態的物質的成份、結構和性質,可以研究有關的物理現象、生物化學反應、催化過程以及生命機制等。紅外技術在決定蛋白次級結構、判斷構象變化、可溶性蛋白和膜蛋白、蛋白配合基的結合上也有著重要應用。紅外光譜學是生物學、化學和物理學研究中廣泛應用的主要分析手段之一。紅外光譜(包括遠紅外)覆蓋了生物分子(如蛋白質、核酸、醣類、脂類以及生物膜結構等)的振動、轉動和分子間相互作用的能級躍遷,因此成爲分析生物物質中的化學成分、生物分子的結構和構象、生物分子間的相互作用以及電荷和能量轉移的強有力工具。紅外光譜技術能夠分析單晶、多晶、無定形和溶液等各種形態的樣品,能夠在生物分子的晶體學分析數據和溶液狀態的核磁共振(NMR)分析數據間搭建聯系的橋梁。紅外光譜技術研究生物分子的一個重要優勢是它能夠在多種不同的樣品環境中得到高質量的光譜,如水溶液、有機溶劑甚至存在其他生物分子的環境,既能夠分析人工環境中的生物分子模型體系,也能對活體組織進行原位分析。如子宮癌包括子宮內膜異位異變和突起異變兩種類型,用紅外傅裏葉變換光譜儀來標記這些異變的生物學機理,通過用主要成分分析法和線性辨別分析法對每個腺或基質的平均光譜(1800-900cm-1)分析,可以區別出病變突起和良性組織, 從而對子宮癌的診斷和治療提供強有力的依據。
       充分依托上海同步輻射光源提供的優質紅外光,可以極大的促進我國紅外技術和生物細胞學、生物動力學等研究領域的進步與發展。
1) 紅外時間分辨實驗站
紅外時間分辨實驗站探測的是樣品的動態過程中有關結構、空間形態等的物理變化。紅外光譜躍遷的時間尺度是皮秒,遠遠小于NMR分析的時間尺度,因此具有研究時間分辨生物分子結構動力學的潛力。根據不同的動態時間尺度,本系統可提供不同的測試能力。對于秒量級的動態過程,本系統具有每天檢測16個蛋白質及其複合物動力學過程的能力;對于納秒到亞秒級的過程,具有每天測試1~2個蛋白質及其複合物動力學過程的能力(時間分辨紅外線站)。


紅外時間分辨實驗站技術指標:
       ►光譜範圍:     10 cm-1—10000 cm-1
       ►最好光譜分辨: 0.1cm-1
       ►樣品處光通量: 2.0x1012 (photons/sec/0.1% b.w.) at 1000 cm-1 @300mA
       ►最小時間分辨: 10ns (step scan FTIR spectrometer)

2) 紅外譜學顯微實驗站
紅外譜學顯微將紅外光譜技術和紅外顯微鏡結合,能夠研究微小區域內生物組織和生物分子的化學和結構信息。在紅外顯微分析中采用同步輻射紅外光源,利用同步輻射光源高亮度、高准直的優異性能可以以超高空間解析度在細胞或亞細胞水平上探測生物組織微結構的分子化學組分而無須破壞其原始構成。利用細胞尺度分辨的紅外譜學顯微技術可以分辨腫瘤組織的各種細胞,研究病變細胞分裂和擴散的機制。利用生物分子內振動模式的指紋特征,紅外譜學顯微能夠發展成具有生物分子襯度的成像手段。例如,利用紅外譜學顯微技術,鑒別了阿滋海默症患者腦組織中集聚的錯誤折疊的蛋白。已經有研究證實此項技術可應用于人類結腸細胞增生組織、肝髒纖維化診斷等病變組織的診斷。

紅外譜學顯微實驗站技術指標:
       ►光譜範圍:     600 cm-1—10000 cm-1
       ►最好光譜分辨: 0.2cm-1
       ►樣品處光通量: 2.0x1012(photons/sec/0.1% b.w.) at 1000 cm-1 @300mA
      ►最小光斑尺寸: 10mm(近衍射極限)

 

 

 

 

 

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