光束线站

      第二系统系统概述:蛋白质晶体结构分析系统概述

        不同的蛋白质具有不同的三维结构,而不同的蛋白质结构则决定了蛋白质特定的功能。因此蛋白质结构的研究是蛋白质科学的核心内容之一。结构生物学采用许多方法对生物大分子的结构进行研究,其中X光晶体衍射是当前在原子水平上确定生物大分子结构的最有效手段。随着晶体制备、数据收集、计算与图像处理软件系统的不断完善和自动化能力的不断提高,X射线晶体衍射已成为蛋白质三维结构研究中的常规技术。因为同步辐射X光的强度是目前常规实验室转靶X光机产生的X光强度的千万倍以上;同时同步辐射X光的波长连续可调性及光束的高准直性也是普通X光源无法比拟的。它对蛋白质晶体学产生的直接结果是:晶体衍射的分辨率和数据质量显著提高、对晶体尺寸的要求明显降低、数据收集速度明显加快、相位解析手段极大加强。最近十年利用同步辐射光源测定的晶体结构已占到所有蛋白质结构总数的65%,目前这一趋势还在进一步加强。

        由于蛋白质晶体生长是一个非常复杂和困难的过程,对于很多蛋白质,尤其是膜蛋白,晶体生长十分困难,难以得到有序性好、尺寸较大的晶体。如果能够对微小的晶体进行结构测定,则可以大大提高晶体结构测定的成功率与效率。当前国际上蛋白质晶体学线站发展的一个主要方向就是要实现高亮度、小光斑的光束,以能够有效测定晶体尺寸小到5~10微米的蛋白质晶体结构。

        蛋白质复合物的结构是阐释相互结合的蛋白质的功能的基础,蛋白质复合物的结构研究已成为结构生物学研究的重要前沿领域之一。其发展目标是要研究越来越复杂的蛋白质复合体系乃至具有系统功能的分子机器、细胞器,如病毒、核糖体复合物等。由于蛋白质复合物的结构复杂、分子量大,生长出的晶体往往都具有很大的晶胞尺寸,衍射能力弱。几乎所有的研究对象均需要利用高亮度同步辐射光源才可能获得具有原子分辨率尺度的三维结构信息,所以研究这类晶体的三维结构对同步辐射光源提出了更高的要求:高通量、低发散度。从目前国际上的该领域的发展状况来看,能够测定晶胞尺寸达到3000 Å的蛋白质复合物结构将能较好地满足超大生物分子复合物结构测定的需求。

蛋白质的三维结构是研究蛋白质功能的基础,也是基于结构的药物设计和药物筛选的基础。生命科学和生物技术的发展对蛋白质结构信息的需求越来越强烈。另一方面,随着蛋白质表达与结晶技术的发展,获取蛋白质晶体的效率不断提高,对蛋白质晶体结构测定效率的要求也越来越高。高度自动化的蛋白质晶体衍射数据采集已经成为当前国际先进光源生物大分子晶体学光束线站的主流趋势。

        蛋白质晶体结构分析系统包括三个具有不同特点的蛋白质晶体结构线站:1)BL18U1微晶体线站:针对微小蛋白质晶体结构测定的蛋白质微晶体结构线站,其目标是要能够有效测定尺寸小到5~10微米的蛋白质晶体结构;2)BL19U1复合物线站:针对蛋白质复合物的蛋白质复合物晶体结构线站,其目标是要能够实现晶胞尺寸达到3000 Å的蛋白质复合物结构;3)BL17B1高通量晶体结构线站:具有高度自动化功能的高通量晶体结构线站,实现快速、规模化、高效率的蛋白质晶体结构筛选与结构测定。这三个线站建成投入运行后,晶体结构分析系统将形成每年测定150个以上蛋白质结构的能力。

1.   蛋白质微晶体结构线站 BL18U1

        生物大分子晶体单色光衍射实验最常用的波长范围为5~18 keV,这个波长范围覆盖了生物大分子晶体学中常用的重元素的吸收边,如Se、Br、Zn、Cu、Fe的K吸收边,Hg、Pt的L吸收边以及S反常散射实验的最佳波长。在此也选择5~18keV作为束线的主要工作能区。蛋白质微晶体结构线站在保证入射光高通量的前提下,照射至样品处的光斑尺寸尽量小,以能够测定外形尺寸小的蛋白质晶体结构。按目前的设计,聚焦光斑最小尺寸可达到10微米以下。

        由于光束的发散角与光斑尺寸是相互关联的,在保持光通量损失基本不变的情况下,要得到更小的光束的发散角就必须增大聚焦光斑尺寸。光束的垂直发散角要求为0.25mrad,水平发散角要求为0.7mrad,应能够充分满足各类高分辨实验要求。对于需要更小的光束发散角的情形可以通过采用狭缝进一步限束的方式来得到,但相应的光子通量也会有所降低。本实验站采用低发射度的波荡器产生的同步辐射X射线束,具有很高的亮度和非常好的光束准直性。

光束线设计主要指标:
       光子能量范围: 5~18 keV
       ►能量分辨:    ≤ 2×10-4
       ►样品处光通量: ≥6×1011 phs/s (12keV@300mA)
       聚焦光斑尺寸: ≤25μm2 (@12keV)

       光束发散角:   ≤0.7×0.25 mrad2 (@12keV)(H×V)

                                                          BL18U1:微晶体结构实验站,采用MD2衍射仪,Pilatus3 6M探测器,Rigaku Actor机械手

2. 蛋白质复合物晶体结构线站BL19U1
        随着结构基因组学研究的进展,蛋白质复合物的三维结构解析是蛋白质结构生物学研究的发展方向。由于蛋白质复合物的结构复杂、分子量大,生长出的晶体往往都具有很大的晶胞尺寸,衍射能力弱。所以研究这类晶体的三维结构对同步辐射光源提出了更高的要求:高光通量、低发散度。
        利用准直性很好的X射线光束进行衍射实验,可以大大减小由于蛋白质晶体的不完整性引起的衍射点展宽,显著提高衍射实验数据信噪比,从而大大提高结构测定的分辨率,对于生物大分子复合物的晶体尤其如此。目前的生物大分子晶体实验数据收集大多采用单轴(位于水平面内)旋转法,减小光束的发散角可以大大降低蛋白质晶体的镶嵌度(mosaicity)对衍射分辨的影响。蛋白质复合物晶体结构线站的主要技术特点是在保持高光通量的前提下实现光束的高准直性,其主要目标是能够测定晶胞尺寸达到3000 Å的超大分子复合物结构,相应于对光束的发散角要求至少要小于0.2mrad。在此以0.1mrad作为光束线站设计目标。

                                                     BL19U1:复合物晶体结构实验站采用MD2衍射仪,Pilatus3 6M探测器,Rigaku Actor机械手

光束线设计主要指标:
       ►光子能量范围: 7~15 keV
       ►能量分辨:     ≤ 2×10-4
       ►样品处光通量: ≥1×1012 phs/s (12keV@300mA)
       ►聚焦光斑尺寸: ≤130×80μm2(@12keV)

       ►光束发散角:   ≤0.1×0.1mrad2(@12keV)(H×V)

3. 高通量晶体结构线站BL17B1
        随着结构基因组学研究的进展,生物学家开始对蛋白质结构进行大规模的研究。随着蛋白质结晶技术的发展,获取蛋白质晶体的效率也逐步提高,所以对光束线机时的要求也越来越多,高度自动化的蛋白质晶体衍射数据采集已经成为目前国际先进光源生物大分子晶体学光束线的主流趋势。因此高度自动化将是此条光束线的主要目标。同时本条光束线还能够实现生物大分子晶体学的主要实验方法,多波长异常散射法,这个方法要求光束线的能量分辨率达到10-4,能量调节范围比较大,能够覆盖大部分蛋白质所含重元素的吸收边。

                                                    BL17B1高通量实验站:采用MD2衍射仪,Rayonix MX300探测器,CATS机械手。
光束线设计主要指标:

       ►光子能量范围: 5~20 keV
       ►能量分辨:     ≤ 2×10-4
       ►样品处光通量: ≥3×1011 phs/s (12keV@300mA)
       ►聚焦光斑尺寸: ≤150×180μmm2(@12keV)
       ►光束发散角:   ≤1.5×0.2 mrad2 (@12keV)(H×V)


第五系统系统概述:蛋白质动态分析系统

       蛋白质动态分析系统由X射线小角散射站(BL19U2 Bio-SAXS)和时间分辨红外谱学线站构成(BL01B)。本系统建立的实验技术将对蛋白质复杂多样的结构功能、相互作用和动态变化开展深入地研究,并在分子、细胞和生物体等多个层次上全面揭示生命现象的本质。
1. X射线小角散射线站
       X射线小角散射(SAXS)线站将以蛋白质在溶液状态下的结构、动态变化和相互作用为主要研究方向,重点开展以时间分辨为主的动态过程研究工作。
目前SAXS技术已经能够在亚秒的量级上观察蛋白质结构的运动过程,以及在各种不同的温度和压力下蛋白质的折叠和去折叠过程。为了对蛋白质折叠过程进行深入了解,就必须知道折叠时几个基本过程的时间尺度和机制,包括二级结构(螺旋和折叠)的形成、卷曲、长程相互作用以及未折叠肽段的全面崩溃。这些研究将有助于理解蛋白质折叠机理。
       小角散射线站使用波荡器光源以提供良好的光源性质,光束线的设计方案采用类K-B镜聚焦模式,即光束的水平聚焦和垂直聚焦分别由2个压弯柱面镜完成,从而得到满足实验要求的聚焦光斑。

                                                                                              BL19U2:小角散射BioSAXS实验站

主要技术指标:
       ►光子能量范围: 7~15 keV
       ►能量分辨:    ≤5×10-4@12KeV
       ►样品处光通量:  ≥4×1012 phs/s (@12keV,300mA)
       ►聚焦光斑尺寸: ≤380×110mm2 (@12keV) (H×V)
       ►光束发散角:  ≤0.1×0.04mrad2 (@12 keV) (H×V)

2. 时间分辨与谱学显微红外光束线站
       作为基础科学的红外与远红外光谱学研究,在生物、化学等领域有着重要应用。一些物质的气体分子的振动转动谱,大分子(如蛋白质、核酸、醣类、脂类以及生物膜结构等)的振动转动谱,晶态、非晶态固体的声子谱,电子能谱都在红外远红外波段。通过对这些光谱的观察和分析可以弄清各种形态的物质的成份、结构和性质,可以研究有关的物理现象、生物化学反应、催化过程以及生命机制等。红外技术在决定蛋白次级结构、判断构象变化、可溶性蛋白和膜蛋白、蛋白配合基的结合上也有着重要应用。红外光谱学是生物学、化学和物理学研究中广泛应用的主要分析手段之一。红外光谱(包括远红外)覆盖了生物分子(如蛋白质、核酸、醣类、脂类以及生物膜结构等)的振动、转动和分子间相互作用的能级跃迁,因此成为分析生物物质中的化学成分、生物分子的结构和构象、生物分子间的相互作用以及电荷和能量转移的强有力工具。红外光谱技术能够分析单晶、多晶、无定形和溶液等各种形态的样品,能够在生物分子的晶体学分析数据和溶液状态的核磁共振(NMR)分析数据间搭建联系的桥梁。红外光谱技术研究生物分子的一个重要优势是它能够在多种不同的样品环境中得到高质量的光谱,如水溶液、有机溶剂甚至存在其他生物分子的环境,既能够分析人工环境中的生物分子模型体系,也能对活体组织进行原位分析。如子宫癌包括子宫内膜异位异变和突起异变两种类型,用红外傅里叶变换光谱仪来标记这些异变的生物学机理,通过用主要成分分析法和线性辨别分析法对每个腺或基质的平均光谱(1800-900cm-1)分析,可以区别出病变突起和良性组织, 从而对子宫癌的诊断和治疗提供强有力的依据。
       充分依托上海同步辐射光源提供的优质红外光,可以极大的促进我国红外技术和生物细胞学、生物动力学等研究领域的进步与发展。
1) 红外时间分辨实验站
红外时间分辨实验站探测的是样品的动态过程中有关结构、空间形态等的物理变化。红外光谱跃迁的时间尺度是皮秒,远远小于NMR分析的时间尺度,因此具有研究时间分辨生物分子结构动力学的潜力。根据不同的动态时间尺度,本系统可提供不同的测试能力。对于秒量级的动态过程,本系统具有每天检测16个蛋白质及其复合物动力学过程的能力;对于纳秒到亚秒级的过程,具有每天测试1~2个蛋白质及其复合物动力学过程的能力(时间分辨红外线站)。


红外时间分辨实验站技术指标:
       ►光谱范围:     10 cm-1—10000 cm-1
       ►最好光谱分辨: 0.1cm-1
       ►样品处光通量: 2.0x1012 (photons/sec/0.1% b.w.) at 1000 cm-1 @300mA
       ►最小时间分辨: 10ns (step scan FTIR spectrometer)

2) 红外谱学显微实验站
红外谱学显微将红外光谱技术和红外显微镜结合,能够研究微小区域内生物组织和生物分子的化学和结构信息。在红外显微分析中采用同步辐射红外光源,利用同步辐射光源高亮度、高准直的优异性能可以以超高空间解析度在细胞或亚细胞水平上探测生物组织微结构的分子化学组分而无须破坏其原始构成。利用细胞尺度分辨的红外谱学显微技术可以分辨肿瘤组织的各种细胞,研究病变细胞分裂和扩散的机制。利用生物分子内振动模式的指纹特征,红外谱学显微能够发展成具有生物分子衬度的成像手段。例如,利用红外谱学显微技术,鉴别了阿滋海默症患者脑组织中集聚的错误折叠的蛋白。已经有研究证实此项技术可应用于人类结肠细胞增生组织、肝脏纤维化诊断等病变组织的诊断。

红外谱学显微实验站技术指标:
       ►光谱范围:     600 cm-1—10000 cm-1
       ►最好光谱分辨: 0.2cm-1
       ►样品处光通量: 2.0x1012(photons/sec/0.1% b.w.) at 1000 cm-1 @300mA
      ►最小光斑尺寸: 10mm(近衍射极限)

 

 

 

 

 

上海市浦东新区海科路333号,
电话:021-2077 8500
Email: ncpss@sibcb-ncpss.org