与人类健康相关的蛋白质结构和医学成像的同步辐射

1、北京同步辐射装置（BSRF）简史、现状、将来简史、现状、将来冼鼎昌2004年4月30日内容内容（一）（一）BSRF 发展简史发展简史（二）（二）BSRF 上研究工作现况上研究工作现况（三）（三）BSRF 今后的发展今后的发展（一）（一）BSRF 发展简史发展简史1983. 6批准批准BEPC 规划规划1984. 6批准批准BEPC 同步辐射规划同步辐射规划1985. 6同步辐射实验室成立同步辐射实验室成立1986. 12 开始光束线设计开始光束线设计1987. 3 开始加工前端区部件开始加工前端区部件 . 11安装前端区安装前端区1988. 7在前端区窗口第一次观察到同步光在前端区窗口第一次观

2、察到同步光1989. 1安装第一个插入件安装第一个插入件 4W1 .4开始装开始装4W1A (形貌学形貌学)、4W1B (EXAFS)、 4B9A(衍射衍射)、及、及4B9B(光电子能谱光电子能谱) 束束线线 .11形貌学线站安装完毕形貌学线站安装完毕1990.5成功进行第一个晶体样品形貌学同步辐射实验成功进行第一个晶体样品形貌学同步辐射实验 3年半！形貌学线站参加形貌学线站参加1990年年 BEPC 验收，验收，未完成的作为甩项，一年多后验收未完成的作为甩项，一年多后验收 引出窗口引出窗口3插入件插入件1单周期电磁单周期电磁 wiggler 4W1光束线光束线5形貌学形貌学XAFS衍射、小角

3、散射衍射、小角散射光电子光电子光刻光刻 1992 年的年的BSRF90年代初的年代初的12大厅大厅90年代初的年代初的13大厅大厅9090年代后期，年代后期，1212实验厅建设新束线实验厅建设新束线包括包括7 7条光束线，用于形貌学、条光束线，用于形貌学、X X射线荧光分析、高压衍射实验、射线荧光分析、高压衍射实验、X X射线衍射、射线衍射、X X射线射线小角散射、光电子谱、小角散射、光电子谱、XAFSXAFS、漫散射实验研究。、漫散射实验研究。9090年代后期，年代后期，1313厅建造新束线厅建造新束线 引出窗口引出窗口7插入件插入件4光束线光束线13增加增加:生物大分子、高压、真空紫外生物

4、大分子、高压、真空紫外LIGA、荧光分析、软、荧光分析、软X光应用光应用中能束线、中能束线、 X光漫散射光漫散射实验站实验站132003 年的年的BSRFBEPC4w1漫散射漫散射XAFSX-射线成像射线成像4B9衍射和小角散射衍射和小角散射光电子能谱光电子能谱3B1光刻光刻VUV3W1软软X射线光学射线光学4W1B4W1A4B9B4B9A3B1B3B1A3W1A3W1B1W1 荧光分析荧光分析4W2生物大分子生物大分子高压高压3B3中能束线中能束线LIGA1313条光束线条光束线1313个实验站个实验站P: 100GPaP: 100GPaT: 1000-8000KT: 1000-8000K4

5、W24W2光束线和高压实验站光束线和高压实验站Beam LineStation生物大分子晶体学实验站（生物大分子晶体学实验站（2003）20032003年年6 6月开始运行月开始运行3B33B3中能光束线中能光束线（与中物院激光聚变中心联合共建与中物院激光聚变中心联合共建）二、二、BSRF 上应用研究现况上应用研究现况 同步辐射装置是一个服务于多个同步辐射装置是一个服务于多个学科的实验技术平台，是科技前学科的实验技术平台，是科技前沿研究不可或缺的先进手段。沿研究不可或缺的先进手段。 ( (基础研究、应用研究、技术开发）基础研究、应用研究、技术开发） 同步辐射是一个用户装置同步辐射是一个用户装置

6、 同步辐射装置是一个特殊模式的同步辐射装置是一个特殊模式的大科学设施，不断在发展。大科学设施，不断在发展。研究领域研究领域同步辐射同步辐射物理学物理学材料科学材料科学化学化学化工化工地矿地矿考古考古农业农业国防国防工业工业生命科学生命科学环境科学环境科学 每年为用户提供专用机时每年为用户提供专用机时20002000小小时左右，部分光束线可以兼用运行时左右，部分光束线可以兼用运行 每年要为每年要为6060多个科研单位的多个科研单位的200200多个课题提供服务多个课题提供服务 课题主要来自课题主要来自863863、973973、国家和、国家和部门的重大科技计划、自然科学基部门的重大科技计划、自然

7、科学基金等金等1998-2003为为 25 25 个省、市、自治区的个省、市、自治区的 106 106 个单位提供了同步辐射实验机时个单位提供了同步辐射实验机时中国科学院中国科学院 32 个研究所个研究所 各部委的各部委的 16个研究所个研究所国家教委国家教委 50 所高校所高校其他：其他： 10 实验站实验站 完成课题完成课题 用户人数用户人数XAFS: 45 105衍射、小角：衍射、小角： 37 96荧光：荧光： 23 78 漫散射：漫散射： 19 49形貌：形貌： 18 60光电子谱：光电子谱： 13 40 生物大分子：生物大分子： 17 54软软X光：光： 10 29VUV: 10 1

8、9高压衍射站：高压衍射站： 8 43光刻、光刻、LIGA： 4 16合计：合计： 210 5994518271913378174101010510560607878494940409696434354541616292919192003年年1031115完成课题完成课题用户人数用户人数用用户户分分布布生物大分子线站建设生物大分子线站建设2000. 3立项1年7个月设计（01.11月）6个月完成线站建设 （02.5月） 加工、安装6个月线站连调完毕 （02.11月） 真空、专用光下1个月试运行（02.12月） 10天, 10余套数据2003 正式向用户开放（5,6-7,10-11）投资和效益投资

9、和效益 投资： 1000万，作为对比，国外 $5001500万。效益： 03年两次专用光共4个月，16个课题组，数百套样品， 第一次专用光实验（2003，6-7）就得到重大成果： 菠菜捕光蛋白LHC II（膜、疏水，2.72）Nature, 2004, Mar. SARS病毒主蛋白酶 3CLMpro 复合物（第一次、关键调控作用、制药意义）PNAS，2003，Novpro）晶体结构）晶体结构pro与抑制剂复合物与抑制剂复合物抑制剂电子密度抑制剂电子密度抑制剂在酶表面的抑制剂在酶表面的结合情况结合情况LHC-IILHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，这种复杂的分子体系镶嵌在生物膜中

10、，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。对其晶体结构的测定是国际公认的高难课题，也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。03年利用北京同步辐射实验室生物大分子晶体学线站获得了该晶体的高分辨率衍射数据，最终获得2.72分辨率的晶体结构，该结果以封面文章形式发表于04年3月的自然杂志。发表于发表于Nature2004年年3月月18日作为封面文章日作为封面文章Chang et al., Nature 428, 287 (2004)能力及差距能力及差距能力：有足够的分辨率，能力：有足够的分辨率，能作多波长反常散射（能作多波长反常散射（ MAD）分析）分析, 能作单波长反常散射（能作单波长反常散射（ SA

11、D）分析，）分析，在容许的条件下充分发挥了功用在容许的条件下充分发挥了功用但是远不能满足生物研究发展需求，但是远不能满足生物研究发展需求，用户强烈要求建造第二条线站。用户强烈要求建造第二条线站。差距差距: ESRF，0.1s23 mBSRF，0.7s2 h三、三、BSRF今后的发展今后的发展Instrumentation MethodsApplications方法发展(M)科技应用(A)设备发展 (I)同步辐射应用发展的同步辐射应用发展的 I M A I M A 模模式式同步辐射装置是在不断发展中的大科学装置同步辐射装置是在不断发展中的大科学装置相比：一台商品相比：一台商品 X 光机出厂就基本上确定了它的一生光机出厂就基本上确定了它的一生设备、方法与应用设备、方法与应用的发展三者相互促进的发展三者相互促进以生物大分子结构为例：以生物大分子结构为例：衍射，要求晶体样品，衍射，要求晶体样品，能否从能否从微量蛋白溶液微量蛋白溶液较大含量量蛋白溶液较大含量量蛋白溶液结晶不佳蛋白结晶不佳蛋白良好蛋白晶体良好蛋白晶体都得到结构