可用于COVID-19研究的SLAC新型X射线束线

认证：SLAC国家加速器实验室

斯坦福同步辐射光源有一个新的亮点：光束线12-1，这是一个实验站，致力于确定具有高亮度X射线的生物大分子的结构。 来自全国各地的研究人员正在使用它来检查SARS-CoV-2（这个是一个引起COVID-19的病毒）不同成分的原子结构和功能。

能源部SLAC国家加速器实验室的新光束线将超亮，紧密聚焦的X射线束与机器人、自动化、远程访问和数据处理系统结合在一起，以扩展研究团队可以研究并允许其运行的大分子类型实验，通过这样结合起来的系统在家庭实验室做实验的速度比以前在实验室更快。

在运行的最初几个月中，斯坦福大学，斯克里普斯研究所，加利福尼亚大学，旧金山大学和加利福尼亚理工学院的研究人员使用新的射线谱线研究了被认为是SARS-CoV-2核心的感染蛋白质。

结果中有关于抗体如何阻止感染以及药物如何调节免疫系统的新线索，因此人们在紧急需要时它可以立刻做出反应，同时避免可能造成弊大于利的过度反应。

新的光束线建设由斯坦福大学，斯克里普斯研究所，斯坦福大学的几个私人基金会（包括戈登和贝蒂摩尔基金会）以及美国国立卫生研究院资助。斯克里普斯教授伊恩·威尔逊说，在BL12-1中，SSRL拥有世界上最先进的“微聚焦” X射线束线之一。威尔逊说：“我们可以使用更小的晶体，收集更高质量的数据，获得更好的信噪比并可以每小时收集更多数据集。”

负责指导BL12-1操作的SSRL资深科学家艾娜·科恩(Aina Cohen)说，BL12-1是在新冠肺炎疫情防护设施启动后开始使用的，到目前为止，它几乎已经完成了与COVID相关的研究，包括来自Wilson小组的多项研究。但她说，随着在家防疫的命令开始解除，其他项目将开始实施，“它们也将受益于使用BL12-1的先进功能。”

1. 用较小的光束变大

BL12-1的主要特征之一是其光束尺寸非常小，垂直焦点为5微米，相对于致力于结构分子生物学和X射线大分子晶体学的其他光束而言，其亮度高。当研究分子时，这种小而强的光束将特别有用，因为这些分子很难或需要长出大的晶体。一般来说，当光束的大小与晶体本身的大小相等时，提取有用信息是最容易的。

加州理工学院Pamela Bjorkman研究小组的博士后克里斯托弗·巴恩斯（Christopher Barnes）说，这种小光束尺寸已经证明对COVID-19研究非常重要。巴恩斯（Barnes）正在研究SARS-CoV-2抗体的结构，包括它们与病毒的结合方式和结合位置，并且他正在努力尽快地做到这一点。

巴恩斯说：“由于这些项目的速度，我们没有像通常那样使晶体均匀。”因此，他们需要一束能聚焦在晶体内更小，更均匀的斑点上的光束。他说：“只有像BL12-1这样的微聚焦光束线才能实现。”

此外，BL12-1具有新的，更快的数据收集系统，比以前更快地远程切换样品和实验设置的机器人，以及执行串行晶体学的能力，对非常小的晶体一个接一个地射入光束，研究人员可以全面了解这些晶体中的蛋白质，而无需将小晶体凝结成一个更大的晶体。而且，所有这些操作都可以在用户的家庭实验室远程进行，这在有限的旅行和社交距离期间是一个重要的好处。

2.冠状病毒的速度和灵活性

新光束线的启动面临一个不寻常的障碍：在居家防疫的命令生效后，这项工程基本上停止了，大部分最终测试直到4月才完成。相关工作基本上停止了，而最终测试的大部分工作直到4月份才完成。即使在那时，进入实验室完成束流线硬件工作和测试系统的人员数量也受到严格限制，因此第一次调试试验是为了解决系统中的任何问题而进行的研究（与新冠病毒有关）。

由加州大学旧金山分校教授詹姆斯·弗雷泽（James Fraser）领导的一项早期实验利用BL12-1的能力来检查未冷冻但在室温下的样品，以研究与人体温度接近的病毒复制所涉及的酶。另一项（最早在BL12-1上运行的研究之一）是一项研究，该研究最近由Wilson和同事在《科学》杂志上发表，研究了免疫系统用来阻止SARS-CoV-2感染细胞的抗体的分子结构。

威尔逊说：“我们能够在调试中使用这条光束线，并实际上加快了我们在COVID-19工作上的进展，这真是太好了。”

斯坦福大学教授詹妮弗·科克伦（Jennifer Cochran），研究生杰克·西尔伯斯坦（Jack Silberstein）和SSRL科学家Irimpan Mathews采用了不同的方法。他们正在寻找可以调节患者免疫系统反应的药物，具体取决于患者所处疾病的阶段-尽早提高免疫力，如果有免疫反应过度的迹象则降低免疫力。西尔伯斯坦说，了解药物及其作用的免疫系统分子的结构对于搜寻至关重要，他说：“如果没有结构，那就是盲目做事。”

马修斯说，BL12-1的小而强的光束帮助他们瞄准了晶体的特定部分，并从同一晶体收集了不同的数据集，从而加快了工作速度。他说：“我对我们的测量如此顺利感到惊讶。”

3.安置到位后启动

Cohen说，像这样的用户源源不断，有助于在调试阶段解决所有剩余问题，特别是因为需要远程完成许多工作。

她说：“一次只允许一个或两个研究团队成员在现场，所有用户组都远程连接到我们的系统以控制他们的实验。” “许多故障排除工作可以由我们的程序员和科学家远程完成。在其他情况下，我们将有很多人在家中为该人员提供建议，” SSRL团队成员轮流进出，工作了一些晚上，周末轮班以使其正常工作，同时保持身体疏远。“这与我们的全自动和远程控制的实验系统相结合，为我们提供了很大的灵活性。”

从Scripps的更多项目开始，COVID工作仍在继续。威尔逊研究小组的博士后研究员孟媛说，他们正在扩大他们的初步工作，以寻找更多的抗体和病毒蛋白对。他说：“我们有大量的晶体需要筛选，并且迫切需要发射时间，Beam Line 12-1的良好容量，快速响应和灵活性以及远程访问功能确实对我们的研究有很大帮助。”