

【ID02-生物大分子微晶衍射線站】??
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試用課題(PILOT proposal)聯(lián)系人:
(1)高增強(qiáng),010-88234028,gaozq@ihep.ac.cn?
(2)佘??準(zhǔn), 010-88234208,shezhun@ihep.ac.cn
【科學(xué)目標(biāo)】
????高效率、高質(zhì)量地解析具有重要生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)
????建成高通量、高自動(dòng)化的藥物篩選平臺(tái)
【主要參數(shù)】
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能量范圍(keV) |
5-18keV |
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能量分辨率(△E/E) |
~2E-4 |
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最小光斑尺寸(H*V) |
1μm *1μm |
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最大光斑尺寸(H*V) |
18μm*28μm |
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光通量 |
1E13 phs/s |
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樣品環(huán)境 |
低溫、常溫 |
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探測器 |
單光子計(jì)數(shù)型二維像素陣列探測器 |
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應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域 |
生命科學(xué),藥物研制,化學(xué) |
【線站布局圖】

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高亮度微聚焦光斑蛋白質(zhì)晶體學(xué)
本線站可以提供從1 μm×1 μm到18 μm×28 μm尺寸的可調(diào)光斑。同時(shí)光子通量(phs/s)可達(dá)到 1E13 @12.4keV@200mA(1μm×1μm光斑)。除了滿足常規(guī)蛋白質(zhì)晶體學(xué)研究以外,還為尺寸微小的蛋白質(zhì)晶體的數(shù)據(jù)收集提供了有力支持。
基于本線站配置的Arinax-MD2S衍射儀,本線站可以提供除了傳統(tǒng)單轉(zhuǎn)軸模式以外的多種晶體數(shù)據(jù)收集策略。例如:
針對微晶體在衍射儀上樣品對準(zhǔn)困難,耐輻照能力差等特點(diǎn),將樣品區(qū)域劃分成大小與光斑相等的網(wǎng)格,采用網(wǎng)格掃描的方法在每個(gè)網(wǎng)格上快速收集一張衍射圖,通過對衍射圖的初步處理分析得到每個(gè)網(wǎng)格的衍射能力,從中選擇衍射能力強(qiáng)的幾個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在總旋轉(zhuǎn)角在10~20度的范圍內(nèi)分別收集50~100張衍射數(shù)據(jù)。然后把多個(gè)樣品的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)篩選和合并來獲得完整的衍射數(shù)據(jù)。
如果晶體大于光束尺寸,為最大限度減少輻射損傷的最佳實(shí)踐是使光束與晶體一樣大。螺旋收集將有助于通過將新體積的晶體帶入每個(gè)圖像的光束中來減輕輻射損傷。
原位平板蛋白質(zhì)晶體的數(shù)據(jù)收集方法是一種在晶體生長過程中直接進(jìn)行X射線衍射數(shù)據(jù)收集的技術(shù),避免了傳統(tǒng)方法中需要將晶體從生長環(huán)境中取出并冷凍或轉(zhuǎn)移到其他載體的步驟。這種方法特別適用于研究蛋白質(zhì)晶體在自然生長條件下的動(dòng)態(tài)過程,如晶體生長、相變或配體結(jié)合等。
本線站的衍射儀支持平板原位收集模式,可以研究蛋白質(zhì)晶體在常溫原位生長環(huán)境中的結(jié)構(gòu)特征。
主要光學(xué)設(shè)備:
水平反射切槽型單色器(HCCM),自研
復(fù)合折射透鏡
熒光靶、XBPM、狹縫/光闌
主要實(shí)驗(yàn)站設(shè)備:
高精度衍射儀(ARINAX-MD2S)
自研單光子計(jì)數(shù)型二維像素陣列探測器
自動(dòng)上樣機(jī)械手(Swordfish)
液氮冷卻(Oxford Cryosystems 1000 series)
實(shí)驗(yàn)站控制軟件(自研)
樣品環(huán)境
高性能衍射儀(ARINAX-MD2S)
MD2S是一個(gè)高度集成的衍射儀系統(tǒng),包含了空氣軸承轉(zhuǎn)軸、顯微鏡系統(tǒng)、樣品照明系統(tǒng)、傳統(tǒng)測角頭和可替換平板專用測角頭系統(tǒng)、Beamstop等。
基于該衍射儀,可以開展多種模式的蛋白質(zhì)晶體學(xué)衍射實(shí)驗(yàn),除了常規(guī)晶體數(shù)據(jù)收集外,還提供了螺旋步進(jìn)掃描模式、高精度網(wǎng)格掃描模式、平板原位數(shù)據(jù)采集模式等。
國產(chǎn)自動(dòng)上樣機(jī)械手(Swordfish)
本線站采用上海光源自主研制上樣機(jī)械手Swordfish,該上樣機(jī)械手可同時(shí)容納20多個(gè)puck,換樣時(shí)間可小于20秒。
液氮冷卻系統(tǒng)(Oxford Cryosystems 1000 series)
利用液氮作為冷卻介質(zhì),能夠快速、有效地降低樣品溫度,提供穩(wěn)定的低溫環(huán)境,可調(diào)節(jié)溫度在80K-400K。其精密的溫度控制功能使得用戶能夠在不同溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并確保實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。此外,Oxford Cryosystems 1000系列還具有可靠的安全特性,能夠確保操作人員和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的安全。由于其高效、可靠的性能,該系列液氮冷卻系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各種研究和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,促進(jìn)了科學(xué)研究的進(jìn)展和成果的取得。
探測器Detectors
自研單光子計(jì)數(shù)型二維像素陣列探測器
HEPS探測器系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)對光子計(jì)數(shù)型像素探測器各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開展了自主研究。經(jīng)過多年的研發(fā)測試,成功研發(fā)了單光子計(jì)數(shù)型二維像素陣列探測器。該探測器基于過閾甄別原理,實(shí)現(xiàn)入射光子前端數(shù)字化,通過幀刷新方式高速讀出。相比傳統(tǒng)CCD、CMOS相機(jī)等探測器,具有圖像“零噪聲”、無死時(shí)間、高刷新率的特點(diǎn),成為當(dāng)前同步輻射光源上的主流探測器。
軟件控制系統(tǒng) Software
本線站研究人員基于PyQt,開發(fā)了本線站專用的晶體衍射線站控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)衍射儀MD2S的完全控制。實(shí)現(xiàn)與EPICS的接口,實(shí)時(shí)顯示光束線狀態(tài),控制衍射儀平臺(tái)與探測器平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。整合機(jī)械手控制,實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)加載。并開發(fā)微晶體的Raster和helical數(shù)據(jù)采集功能。并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格掃描的自動(dòng)熱圖生成和定位等高級功能。另外本系統(tǒng)也可以和HEPS通用軟件系統(tǒng)(Mamba)實(shí)現(xiàn)順利通信和數(shù)據(jù)交流。
常用附件Accessories
衍射儀常用附件:
—可調(diào)節(jié)狹縫Aperture:控制X射線束的尺寸和準(zhǔn)直性,可提供10μm-150μm可變的大小。
—毛細(xì)管Capillary:置于Aperture和樣品之間,可以進(jìn)一步去除雜散光的影響,從而提升晶體數(shù)據(jù)質(zhì)量。
—Beamstop:阻擋直射光束,保護(hù)探測器并提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
配套實(shí)驗(yàn)室
本線站提供一間配套實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)有4℃,-20℃和-80℃的冰箱以存放樣品,另有超凈臺(tái),操作臺(tái)等設(shè)備。
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本線站支持兩種樣品收集模式:
1.傳統(tǒng)loop收集(液氮冷凍)
2.原位平板生長收集:平板規(guī)格請參考如下鏈接中的規(guī)格
https://www.mitegen.com/product/crystaldirect-plate???
由于不同模式下需要切換設(shè)備,請務(wù)必提前確認(rèn)需要哪種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
如有特殊需求,請?zhí)崆奥?lián)系線站工作人員!
本線站目前使用自研軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,系統(tǒng)便捷高效、功能多樣化、并且一直在進(jìn)行優(yōu)化和開發(fā),未來將為用戶的數(shù)據(jù)收集提供更多樣化操作。
本線站的數(shù)據(jù)處理軟件有XDS、autoProc,xia2以及國產(chǎn)自研軟件autoPD。
本線站已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理,即使用xia2-xds、xia2-dials、autoProc及autoPD 四個(gè)軟件對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)自動(dòng)化處理,使得用戶能夠第一時(shí)間獲知數(shù)據(jù)的質(zhì)量,幫助用戶實(shí)驗(yàn)決策。
蛋白質(zhì)晶體學(xué)結(jié)構(gòu)解析在多個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用,以下是一些重要的應(yīng)用領(lǐng)域舉例:
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藥物設(shè)計(jì)與開發(fā)
靶標(biāo)蛋白結(jié)構(gòu)解析:通過解析藥物靶標(biāo)蛋白的三維結(jié)構(gòu),幫助設(shè)計(jì)更有效的藥物分子。
藥物-靶標(biāo)相互作用研究:揭示藥物分子與靶標(biāo)蛋白的結(jié)合模式,優(yōu)化藥物活性。
抗藥性機(jī)制研究:解析突變蛋白的結(jié)構(gòu),理解抗藥性機(jī)制并設(shè)計(jì)新藥。
酶學(xué)與催化機(jī)制研究
酶活性中心解析:揭示酶的催化機(jī)制和底物結(jié)合位點(diǎn)。
酶工程:基于結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行酶的定向進(jìn)化或理性設(shè)計(jì),提高酶的活性或穩(wěn)定性。
生物分子相互作用研究
蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用:解析蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu),揭示信號(hào)傳導(dǎo)、代謝調(diào)控等過程的分子機(jī)制。
蛋白質(zhì)-核酸相互作用:研究轉(zhuǎn)錄因子、核糖體等與DNA或RNA的相互作用。
結(jié)構(gòu)生物學(xué)與功能研究
蛋白質(zhì)功能解析:通過結(jié)構(gòu)信息推斷蛋白質(zhì)的功能,如轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、受體蛋白等。
構(gòu)象變化研究:揭示蛋白質(zhì)在不同狀態(tài)下的構(gòu)象變化,如變構(gòu)效應(yīng)、折疊與去折疊過程。
病原體研究與疫苗開發(fā)
病毒蛋白結(jié)構(gòu)解析:解析病毒關(guān)鍵蛋白(如刺突蛋白)的結(jié)構(gòu),為疫苗設(shè)計(jì)和抗病毒藥物開發(fā)提供依據(jù)。
細(xì)菌毒素與宿主相互作用:研究病原體毒素與宿主蛋白的相互作用機(jī)制。
工業(yè)生物技術(shù)
工業(yè)酶優(yōu)化:通過結(jié)構(gòu)解析優(yōu)化工業(yè)用酶(如纖維素酶、脂肪酶)的性能。
生物催化:設(shè)計(jì)高效、特異性的生物催化劑。
基礎(chǔ)科學(xué)研究
蛋白質(zhì)折疊與穩(wěn)定性:研究蛋白質(zhì)的折疊機(jī)制和穩(wěn)定性,揭示蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊與疾病的關(guān)系。
進(jìn)化與功能關(guān)系:通過比較不同物種的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),研究蛋白質(zhì)的進(jìn)化與功能關(guān)系。
材料科學(xué)與納米技術(shù)
蛋白質(zhì)自組裝:研究蛋白質(zhì)的自組裝機(jī)制,用于設(shè)計(jì)新型生物材料。
納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):利用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能性納米材料。
農(nóng)業(yè)與植物科學(xué)
植物抗病蛋白研究:解析植物抗病蛋白的結(jié)構(gòu),幫助開發(fā)抗病作物。
光合作用機(jī)制:研究光合作用相關(guān)蛋白的結(jié)構(gòu),優(yōu)化植物光合效率。
醫(yī)學(xué)診斷與治療
疾病相關(guān)蛋白研究:解析與癌癥、神經(jīng)退行性疾病等相關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),開發(fā)診斷標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)。
抗體工程:基于結(jié)構(gòu)信息設(shè)計(jì)高效抗體,用于疾病治療或診斷。