BL17UM

高性能膜蛋白晶体学光束线站
科学目标
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生物大分子结构生物学(解决以GPCR为代表的重要微小晶体结构解析)
基于结构的药物研发
微区结构分析(XRD、XRF)
材料科学(包括高压条件下、低温条件下的材料科学)
原位动态结构分析(原位动态过程中结构变化与机理研究)
线站布局图
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  上海光源高性能膜蛋白晶体学线站BL17UM是一条具备测定微米尺寸蛋白质晶体结构能力的同步辐射光束线站,能够解析以膜蛋白为代表的结晶困难、尺寸微小的一类晶体结构。此外,BL17UM还能够高效和低损伤地解析常规蛋白晶体和小分子材料晶体。
  为了获得稳定的小尺寸光斑并同时具有较高的通量密度,BL17UM配备了多层膜单色器和双晶单色器,通过切换,使得X射线能量范围拓展到5-25keV。光斑大小可在1~20μm范围内调节,样品点处的光斑尺寸聚焦至1×1μm2时,最大光子通量超过1.6×1012 phs/s,达到国际同类线站先进水平。
  光束线整体布局思路为采用预聚焦-微米聚焦两级聚焦方案;束线关键光学部件竖直放置,减小振动对光斑位置的影响。
图1 光束线布局和构成示意图
线站指标
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能量范围: 5~25 keV
能量分辨率: 2×10-4(DCM@12keV)
最小光斑尺寸: 1×0.5µm2 (FWHM)
光斑发散度: 2.5×1mrad2
样品处光子通量: 1.6×1011phs/s (DCM@12keV, 1×1 µm2 spot size, 300 mA); 1.6×1012phs/s (DMM@12keV, 1×1 µm2 spot size, 300 mA)
实验站布局和构成
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  高性能膜蛋白晶体学实验站配置性能指标国际先进的高精度衍射仪、大面积二维探测器和自动上样机械手(图2)。
图2实验站布局和构成
实验站方法和原理
  膜蛋白线站是光源二期项目中的一条重要的蛋白质晶体衍射线站,线站设计和建设兼顾多种蛋白质晶体衍射实验方法,除能满足常规尺寸的蛋白质晶体实验外,还可以提供微聚焦光斑蛋白晶体学实验方法,着重优化了微晶体衍射实验和数据采集处理能力。
1)高性能微聚焦光斑蛋白晶体学方法
  实验原理:采用与蛋白质晶体尺寸匹配的微米级光斑,进行小尺寸蛋白晶体和膜蛋白晶体X射线晶体学结构解析。
  性能指标:
  光子能量范围:5-25keV
  聚焦光斑尺寸:0.5-20m连续可调
  样品点光子通量: >1.6×1012phs/s@1×1μm2 ( DMM模式); >1.6×1011phs/s@1×1μm12 ( DCM模式)
  特点和优势:亚微米级聚焦光斑尺寸(~0.5m),聚焦光斑尺寸连续可调(0.5-20m),光子能量范围宽(5~25keV),和光子通量高(大光斑时 >1.0×1014phs/s@12keV, DMM模式)。 
  应用领域:结构生物学,微米蛋白晶体和膜蛋白晶体结构解析。
2)Raster数据采集和自动数据处理
  原理:针对膜蛋白微晶体在衍射仪上样品对准困难,耐辐照能力差等特点,将样品区域划分成大小与光斑相等的网格,采用网格扫描的方法在每个网格上快速收集一张衍射图,通过对衍射图的初步处理分析得到每个网格的衍射能力,从中选择衍射能力强的几个网格点在总旋转角在5~10度的范围内分别收集50~100张衍射数据。然后把多个样品的衍射数据进行自动筛选和合并来获得完整的衍射数据。
  性能指标:扫描速度: 10 grids/s
  数据合并:200 sets/h
  优势:raster方法可以克服样品尺寸小或样品在光学显微镜下衬度低,人工定位困难的情况,有利于微小晶体的衍射实验开展。另外,raster方法与线站的机械手和衍射仪配合可以开发出全自动化的数据收集方式。为用户提供更多便利。数据合并方法可以自动分析衍射数据的优劣,剔除差的数据,保留好数据,让用户能够快速获得可供结构解析的高质量衍射数据,即节省用户时间,又可以提高用的户样品利用效率。
3)螺旋步进扫描实验方法
  如果晶体大于光束尺寸,为最大限度减少辐射损伤的最佳实践是使光束与晶体一样大。螺旋收集将有助于通过将新体积的晶体带入每个图像的光束中来减轻辐射损伤。要设置螺旋形数据采集,必须沿晶体定义数据采集的起点和终点。可以通过将晶体居中并如上所述保存每个点来完成此操作。然后,在包含两个点的区域上单击并拖动鼠标。这将在定义数据采集轴的点之间绘制一条线。通常来说,最好使用沿Omega轴的两个点,沿垂直轴的平移比收集固定点要好。
数据采集与处理
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线站配备MxCube3数据采集系统,通过对MD3-UP衍射仪、ISARA型样品机械手和Eiger2-X-16M高性能面探测器的整合控制,实现了高性能的数据采集(图3)。线站配备XDS、autoproc、autoPX数据处理软件,保证用户的数据能够在线站完成处理。
图3数据采集系统MxCube3