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全球最先进“阿拉丁神灯”:解开生命谜团的利器
2016-03-28

迄今为止,世界上90%的生物大分子:蛋白质、DNA、RNA、核糖体、核小体,或者病毒都是借助同步辐射光了解的。以前科学家需要十年的时间才能分析出血红蛋白的结构,而今天,科学家只需要用三个月时间就能解析出更加复杂的分子结构,帮助他们完成这一任务的“利器”就是同步辐射光源。

最近,《科技生活》周刊记者走进了瑞士保罗谢尔研究所,这里正在建设世界上最先进的第四代光源。  

  文/记者 白竟楠(发自瑞士)

  瑞士保罗谢尔研究所位于苏黎世和巴塞尔之间阿勒河畔,是该国最大的多学科研究中心。圆形的白色建筑就是瑞士第三代同步辐射光源。

1。同步辐射光源像一盏“阿拉丁神灯”

  在瑞士北部的苏黎世和巴塞尔之间的阿勒河畔,坐落着一个俯瞰像甜甜圈的建筑,它是瑞士最大的国家研究所——保罗谢尔研究所所拥有的一台“阿拉丁神灯”,通过它能看到在阳光下看不到的神奇物质。

  有光就一定会有光源,对光的认识也离不开光源。太阳是人们最熟悉的自然光源,通过太阳光,人们可以看到房子、汽车、河流、湖泊,但是通过太阳光却不能看到原子、分子、介子。

  在保罗谢尔研究所的大门口,一群外国科学家中站着一位在瑞士的冬天穿短袖的中国博士,他就是王梅天,一个在瑞士工作了近十年的北京人。

  王梅天说,我们需要一台特殊的超级显微镜来看这些微观物质,通过一种特殊的光源发射出特殊的光来进行研究。这台特殊光源“阿拉丁神灯”就是瑞士第三代同步辐射光源。

  同步辐射光源可以用来勘探材料科学、化学、原子或分子物理等不同科学领域。但对于人类的生命延续来说,同步辐射光源是人类勘探生命奥秘的最得力助手,因为它勘探生物大分子的功能为人类解开了一个又一个生命的谜团。

  生物大分子包括蛋白质、核酸、碳氢化合物等,是构成生命的基础物质,迄今为止,世界上90%的生物大分子:蛋白质、DNA、RNA、核糖体、核小体,或者病毒都是借助同步辐射光了解的。所以,同步辐射光源被科学家看做是生命科研界的一盏“阿拉丁神灯”,科学家用它来实现探索生命科学的愿望。

  PSI 拥有瑞士第三代同步辐射光源SLS,SLS的主要组成部分是能量为2.4 电子伏特的电子储存环(周长288米)。它提供了高亮度光子束用于材料科学、生物学和化学研究。

2。同步辐射光源起初被当作光的废料

  同步辐射光源的“前身”是正负电子对撞机,其原理是利用其中的加速器加速正负电子,通过这些电子相互对撞来研究高能物理的基本过程。在保罗谢尔研究所的墙上挂着一排照片,这就是同步辐射装置从第一代到第四代的图片,相比起第一代又“土”又小的装置,第四代显然已经是豪华版了。那么同步辐射装置在这几十年中是如何“成长”的呢?

高能同步辐射光源构成高能同步辐射光源构成

  在这些高能带电粒子会在自己的“人生轨迹”上用接近光的速度旋转,同时会有一种副产物产生——沿着运动速度方向产生光波,这是一种辐射,在当时看来亦是一种能量损失,是1947年在同步加速器上发现的,因此命名为同步辐射。然而,由于同步辐射会造成高能加速器能量的严重损失,所以,这种在今天看来有着无限用途的光,在最初被发现的时候,却是高能物理极力要排除的因素。

  真正有针对性的探测这种辐射始于1946年,当时有两位科学家J·P·Blewett和G·C·Baldwin在美国进行试验,但当时他们什么也没有观测到,因为从加速度方向“飞出去”的辐射都被不透辐射的天线镀层完全屏蔽了,这样就使同步辐射的发现推迟了一年。

  1947年,科学家在美国的同步加速器上首次观测到了电子的电磁辐射,因此命名为同步辐射。

  1961年,美国国家标准局建造了第一个用于紫外辐射的同步辐射装置,随后,欧洲、苏联、日本都相继建立同步辐射的研究机构,当时的同步辐射装置都是寄生在已有的加速器之上,与高能物理研究处于共生的状态,这些同步辐射光源也被称为第一代同步辐射光源。

3。探索生命体秘密的“钥匙”

  PSI还拥有瑞士唯一的用质子治疗特殊癌症的设备。1984年起,肿瘤患者就可在PSI质子治疗设施上进行治疗。该设备由PSI自己的专家研制,在世界上一无二。它的照射技术利用了质子的固有优势,对肿瘤进行选择性的破坏,而对周围的健康组织进行最佳的保护。

  同步辐射光源是继电光源、X射线源、激光光源后的第四次革命性推动科学探测的光源,被人们俗称为“神光”。

  王梅天带领记者走进了这座能发出“神光”的大型科研装置里,里面充满了轰隆的机器声和外行人看起来毫无规律可循的电线,事实上,这就是同步辐射光源和里面的一个个实验线站,每一组线后面牵连的都是一个线站。在这里,每年都有上千人来此参观,当记者跟着王梅天上楼时,正好有一批人从上面下来,我们互相打了招呼,他们就是今天来参观的中学生团队。参观瑞士顶级的科研院所,不仅能近距离感受科学,还为这些瑞士青年学生提供了近距离了解科学的机会,从而激发他们的科研热情。那么,“神光”到底神在哪里呢?

  早在1954年,当时还没有同步辐射光源时,科学家花了十年的时间才将血红蛋白的结构解析出来,并且是单体结构。而今天,科学家利用同步辐射装置用三个月的时间就能成功解析出一个像NPC1-C和糖蛋白结合的复合物晶体结构。

  当然,如此快速的科研成果要建立在更新一代的装置上,第二代同步辐射光源与第三代的最大区别在于,其将高能物理实验与同步辐射分离,不再处于共生状态,其科研效率无疑更高。

4。为全世界的科学家服务

PSI为全世界的科学工作者提供设备使用时间PSI为全世界的科学工作者提供设备使用时间

  在瑞士的同步辐射光源共有40个工作站,一年有250天处于运行状态,为全世界的科学研究者提供设备使用时间,其中也包括中国的科研院所,中国科研每年占据这里1%的资源。这可不是一个小的数字,1%相当于一个工作站一年中有180天在为中国的科学家服务。

  走到一个展板前,上面密密麻麻写的都是各大公司的LOGO,难道这里还可以做广告吗?“因为同步辐射装置能探索生物大分子的秘密,而这是制药公司开发新型药物的基础,所以,很多大型公司都会投资,他们就可以固定使用他们投资的线站,比如其中的两个线站就由诺华和罗氏两家制药公司投资,份额共占线站运营总额的25%。”在轰隆的机器声中,王梅天用话筒讲解着这些世界级公司在这里的科研历程。

5。具有一双更快速的眼睛

  瑞士保罗谢尔研究所正在建设的第四代同步辐射光源是世界上最先进的自由电子激光装置,相比于第三代同步辐射光源,其亮度提高了100万倍,光越强探测的精度越高,探测速度也越快。

  进到检测仪房间中,同样电线密布,但所有的线都“排排坐”,十分整齐,并且一尘不染。在这里,正有一位研究人员在两台屏幕前进行实验和监测,王梅天指着电脑上扁长的黑色物体说,这就是晶体。要勘探生物大分子的奥秘,就必须先要培养出相应的晶体才能进行观测。

  在生活中,你最熟悉的晶体是钻石。晶体的特点是长期有序性,是原子或分子在空间按一定周期重复地排列。但是,并不是所有的晶体都能像钻石那么“完美”,生物大分子晶体中含有40%——60%的水,且每个分子的位置和构象都不完全相同,并且在强光的照射下晶体很快会死去。所以培养出尽量完美的晶体,同时需要勘探能力和速度更强、更快的探测器。也为了让晶体能够不那么快速地被光打死,整个实验保证了蛋白质晶体始终处于零下170度的低温下进行。

  王梅天指着另一个屏幕的白点说,这些点就是探测器拍下来晶体衍射点,这些点通过计算就可以得出晶体的结构是什么。

  探测器就是同步辐射光源里一双犀利的眼睛,为什么要用更厉害的探测器呢?Rafael Abela说,因为蛋白质晶体衍射出的信号很弱、很小,大约0.1毫米或者更小,所以需要聚光能力更强、更敏感的探测器,而同步辐射光又很强,所以在晶体被光“打死”之前就要拍到所有的资料。目前,瑞士这个第三代光源所使用的探测器就是2007年保罗谢尔研究所独家开发的新一代探测器,它的勘探速度颠覆了原有的技术。这也是另这里的科学家最引以为豪的地方。这一项新的探测器技术也应用到了瑞士正在建设的第四代同步辐射光源装置中。

6。在建世界最先进光源

瑞士第四代光源项目领导Rafael Abela讲解同步辐射光源的作用和功能,以及生命探测的奥秘。瑞士第四代光源项目领导Rafael Abela讲解同步辐射光源的作用和功能,以及生命探测的奥秘。

  走进一栋水泥墙的楼里,一排展板前站着一位头带小毡帽颇具牛仔气质的“大叔”,他就是瑞士第四代光源项目领导人Rafael Abela,已经在这里等候记者多时了。

  展板上展示的是各个学科对“速度”的需求。Rafael Abela指着其中一个说,一个水分子的变化速度是飞秒量级的,人眼对光的反应速度也是飞秒量级的,飞秒是多快呢?史明解释说:“你知道飞秒是什么概念吗?一秒等于1000000000000000飞秒!”

  他又走到另一块展板前说,植物接收光的速度为0.1纳秒,比人眼慢了一千倍。“这些看起来都是非常基础的科学问题,有了同步辐射装置后科学家才能利用这只“神眼”看到微观的科学世界。”

  相比于第三代同步辐射光源,第四代光源的亮度提高了100万倍,光越强探测的精度越高,探测速度也越快。打个比方,如果原始的探测器技术是一部黑白相机,新一代的探测器就是一部彩色相机;如果原始的探测器一秒钟只能拍摄几张图片,而新的探测器一秒钟能拍摄上千张图片,这就要求探测器的空间分辨能力(像素)、时间分辨能力(拍摄速度)、探测动态范围(探测深度)都要有质的提高,从图像数量到质量都有质的提升,这就能提高实验效率,并且能完成条件更严苛的实验项目。

  北京正在建设中国第四代同步辐射光源,Joel Mesot说,如果中国需要技术支持,就像第三代同步辐射光源一样,他们可以致力帮助。(来源:新浪科技网

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