現(xiàn)代化X射線晶體學(xué)平臺建設(shè)及管理

王樂樂， 燕寶華， 陳喜玲， 范仕龍

(1. 清華大學(xué) 生命學(xué)院， 北京 100084； 2. 國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(北京)設(shè)施清華大學(xué)基地， 北京 100084；3. 清華大學(xué) 結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100084)

2008年以來，為生命學(xué)科發(fā)展提供先進的研究手段和高水平的技術(shù)支撐，我校在生命學(xué)科領(lǐng)域陸續(xù)建設(shè)了3個校級公共科研平臺，包括生物醫(yī)學(xué)測試中心、實驗動物中心和蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心(以下簡稱蛋白質(zhì)中心)。其中，蛋白質(zhì)中心作為國家級蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺和清華大學(xué)校級科研與公共服務(wù)平臺并行管理，旨在建立標準化、自動化的工程技術(shù)手段，以提升蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析水平，高精度地測定從蛋白質(zhì)分子到全細胞的三維結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上揭示蛋白質(zhì)及其復(fù)合體的功能，建成具有國際一流水平和綜合示范作用的蛋白質(zhì)科學(xué)研究的核心基地。

X射線晶體學(xué)平臺(以下簡稱平臺)作為國際一流蛋白質(zhì)中心的有機組成部分，其管理人員最主要的工作在于如何通過優(yōu)化先進科研儀器服務(wù)模塊和管理模式以及開發(fā)儀器潛在功能，提供快速化、多樣化、高效化的專業(yè)服務(wù)，以保障科研儀器充分發(fā)揮應(yīng)有的使用效益，為科研團隊產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)成果提供保障。同時，隨著大量專業(yè)化強、價格昂貴、維護費用高的大型儀器引進，須解決儀器管理和使用中存在的相關(guān)問題。

結(jié)合平臺的建設(shè)管理經(jīng)驗，針對專業(yè)平臺的儀器管理，實現(xiàn)資源共享和提高使用效益，提出了特色管理模式，解決了專業(yè)平臺的儀器資源如何有機整合、高效支撐科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化的問題。

1 X射線晶體學(xué)平臺建立背景

蛋白質(zhì)晶體學(xué)是利用蛋白質(zhì)及其復(fù)合物晶體的X射線衍射數(shù)據(jù)來分析生物大分子三維精細結(jié)構(gòu)的學(xué)科，它不僅與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)緊密相關(guān)，需要物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)以及計算機學(xué)科作為它的基礎(chǔ)。隨著各學(xué)科的不斷發(fā)展，蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的測定方法和結(jié)構(gòu)測定所使用的儀器也都有了飛躍的進步。

我校結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心作為國際一流的研究中心，之前配備1臺晶體篩選儀器和2臺大分子X射線衍射儀，在教學(xué)與科研中發(fā)揮了重要的作用。但隨著測試技術(shù)的迅猛發(fā)展及日益增加的科研需求，平臺設(shè)備支撐力度不足的問題越加明顯，而且設(shè)備常年處于滿負荷運行狀態(tài)，以型號為MicroMaxTM-007 HF的Rigaku蛋白質(zhì)單晶衍射儀為例，自2009年投入使用至2013年，始終處于滿負荷運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，年有效使用機時達3 000 h，為結(jié)構(gòu)中心的15個實驗室提供了有力的實驗保障，所有的原始晶體檢驗、晶體生長條件的優(yōu)化、一般基本數(shù)據(jù)的收集都是在此臺儀器上完成，校內(nèi)生命學(xué)科用戶預(yù)約十分緊張。此外，儀器設(shè)備使用年期較久，存在潛在的使用壽命風(fēng)險。另外這些設(shè)備只針對院內(nèi)的科研人員，無法實現(xiàn)面向外系和外校的公共測試服務(wù)。

為支持學(xué)校結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中最具有挑戰(zhàn)性的重大前沿課題的研究，適應(yīng)其在國際結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中領(lǐng)先的地位，建立蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心X射線晶體學(xué)平臺變得至關(guān)重要。作為國內(nèi)領(lǐng)先地位的平臺，必須以配備國際一流的測試儀器設(shè)備、培訓(xùn)高水平的設(shè)備管理人才和實現(xiàn)平臺全面對外開放為目標，爭取在未來的中國乃至世界的結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展中起到關(guān)鍵性的作用。

2 X射線晶體學(xué)平臺建設(shè)歷程

2.1 建設(shè)思路

蛋白質(zhì)晶體學(xué)主要研究步驟分為蛋白質(zhì)及其復(fù)合物的結(jié)晶、晶體優(yōu)化和測試、收集高分辨率的晶體衍射數(shù)據(jù)，最終通過數(shù)據(jù)解析得到蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)。

針對蛋白質(zhì)晶體學(xué)研究步驟，首先蛋白質(zhì)結(jié)晶和優(yōu)化過程均需要大量的條件篩選和繁雜的Buffer配制，通過全自動化、高通量的設(shè)備可為結(jié)晶篩選繁復(fù)的試驗過程提供快速簡便的技術(shù)支持；其次蛋白晶體的生長須要保持恒溫的環(huán)境，建立晶體生長恒溫間也是必不可少的，同時在生長過程中蛋白質(zhì)晶體或者鹽晶以及其他晶體通常是依靠經(jīng)驗來辨別，如今具備多樣化觀察手段的設(shè)備層出不窮，這些都為蛋白晶體的高效分辨提供了方便快捷的技術(shù)支持；最后蛋白質(zhì)晶體的數(shù)據(jù)收集需要大功率的X射線發(fā)生器提供集中高強度的X射線，這些設(shè)備往往價格高昂，實驗室單獨采購的可能性較低，因此建立一個重點服務(wù)于結(jié)構(gòu)生物學(xué)、高通量、高度自動化的儀器共享平臺，生命科學(xué)享有優(yōu)先使用權(quán)，是平臺建設(shè)的特色和宗旨。

2.2 建設(shè)歷程

平臺在建設(shè)初期，于2013年引進了2臺Art Robins公司的蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選機械手，1臺原Angilent公司的型號為PX Scanner的原位蛋白質(zhì)晶體衍射觀察儀。在2014—2015年度， 平臺已逐步進入正式運營階段，為滿足高速篩選、微量體積和早期鑒定的需求，分別引進了1臺TTP 公司的型號為Mosquito的蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選工作站、1臺Formulatrix公司的型號為Rock Imager 的全自動晶體觀察系統(tǒng)，以及Rigaku大功率單晶衍射和小角散射聯(lián)用儀、Bruker生物大分子雙探測器單晶衍射儀、1臺TECAN公司的型號為Freedom EVO的蛋白質(zhì)結(jié)晶配液工作站。此外還建立了16 ℃和4 ℃晶體生長恒溫間。2016年平臺為了完善研究技術(shù)和設(shè)備功能，分別引進了1臺TTP 公司的型號為Dragonfly的蛋白質(zhì)晶體優(yōu)化配液工作站和1臺BioSAXS生物小角高通量自動進樣器。在2016—2017年度，平臺已完成了大部分計劃內(nèi)的儀器設(shè)備采購，形成了完整的規(guī)模，其中大型儀器9臺。通過設(shè)備整合，形成了平臺4大功能模塊:蛋白晶體自動化篩選優(yōu)化系統(tǒng)、自動化晶體生長觀察和早期鑒定系統(tǒng)、衍射數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、蛋白結(jié)構(gòu)解析系統(tǒng)，可為科研人員提供大部分針對蛋白質(zhì)晶體學(xué)研究領(lǐng)域的服務(wù)工作。

目前平臺具有全國最全面的蛋白質(zhì)結(jié)晶所需的設(shè)備以及國際上頂尖配置的大分子單晶衍射儀和小角散射系統(tǒng)，這些設(shè)備為從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的科研人員提供蛋白晶體篩選制備、衍射數(shù)據(jù)收集、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析等方面的強大技術(shù)支持。

2.3 建設(shè)成效

自2013年6月平臺開放服務(wù)至今，平臺通過優(yōu)化儀器設(shè)備的配置、整合儀器設(shè)備的功能，提高了大型儀器的使用效率，促進了平臺的快速發(fā)展，發(fā)揮了對生命科學(xué)研究重要的支持作用。

在具體科學(xué)研究的支持方面， 2013—2017年度，我校結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心依托平臺儀器技術(shù)支撐發(fā)表在頂級國際權(quán)威雜志包括《Science》《Nature》和《Cell》上的文章有幾十篇，其他發(fā)表在如《美國科學(xué)院雜志》《細胞研究》《細胞報道》等雜志上的文章更是數(shù)量眾多，發(fā)表在SCI期刊的文章多達數(shù)百篇，并申請多項重點研究課題，其中包括“973”課題、基金委重點項目、國家自然科學(xué)基金委項目、清華大學(xué)自主科研項目、科技部重大研究項目以及教育部所支持的項目等，總經(jīng)費額達6 000萬元。這表明，X射線晶體學(xué)平臺是眾多科研項目的重要支撐平臺，在科研項目的申請和完成過程中發(fā)揮著重要作用。

完善的平臺管理機制以及儀器設(shè)備的良好運行使得前來測試的課題組和用戶人數(shù)每年有所增加，至2016年底，用戶已累計約200戶，儀器使用總次數(shù)累計約4 000次。隨著平臺的使用效益逐年升高，對學(xué)校生命學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、化學(xué)院的科技支持力度增加，平臺已連續(xù)4年獲得我校實驗室與設(shè)備處大型儀器設(shè)備使用效益獎，如大功率單晶衍射儀分別獲得27—29屆“清華大學(xué)大型儀器設(shè)備使用效益一等獎”，并于2017年獲得第30屆“清華大學(xué)大型儀器設(shè)備示范機組”，蛋白質(zhì)結(jié)晶工作站分別獲得28—30屆“清華大學(xué)大型儀器設(shè)備使用效益三等獎”。

此外，平臺根據(jù)用戶需求與其他高等院校、研究院所和公司企業(yè)建立科技服務(wù)項目合作，到2017年第一季度已經(jīng)有16家科研院所和企業(yè)與平臺建立了研究項目合作，其中幾家單位提出了不止1個研究項目合作的需求，拜爾公司還提出了與平臺建立長期合作，項目經(jīng)費達60萬元。隨著項目合作的增多，平臺也培養(yǎng)了一批擁有豐富實驗技能和深厚科研實力的技術(shù)人才，為平臺更好的發(fā)展提供良好的人才儲備。

3 X射線晶體學(xué)平臺管理模式

3.1 平臺架構(gòu)

平臺具有較強的專業(yè)性，根據(jù)儀器設(shè)備的功能特色和服務(wù)方向，將平臺劃分為蛋白晶體篩選儀器組、晶體生長觀察儀器組、衍射數(shù)據(jù)收集儀器組、蛋白結(jié)構(gòu)解析儀器組，構(gòu)建了一套完整的技術(shù)服務(wù)體系。每個機組均配備專業(yè)的技術(shù)人員負責(zé)日常管理、輔助操作、用戶培訓(xùn)及日常維護等工作。每個機組均設(shè)有機組負責(zé)人，負責(zé)監(jiān)控儀器的服務(wù)狀態(tài)和測試情況。

(1) 蛋白晶體篩選儀器組:該機組包含2臺Art Robins的蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選機械手、1臺TTP 公司的 Mosquito蛋白質(zhì)結(jié)晶篩選工作站和1臺Dragonfly的蛋白質(zhì)結(jié)晶配液工作站，以及1臺TECAN Freedom EVO8蛋白質(zhì)結(jié)晶配液工作站。每臺結(jié)晶篩選工作站的功能均有所不同，實現(xiàn)了自動化液體處理到高通量、高速度的晶體篩選過程，滿足了大部分用戶對儀器設(shè)備的不同要求。

(2) 晶體生長觀察儀器組:該機組包含2個小模塊，晶體觀察模塊包含1臺原Angilent 的 PX Scanner的原位蛋白質(zhì)晶體衍射觀察儀和1臺Formulatrix的Rock Imager 全自動晶體觀察系統(tǒng)；晶體生長模塊包含16 ℃和4 ℃晶體生長恒溫間。2個模塊既能相互支撐，又可以相互獨立，觀察模塊可以實現(xiàn)通過可見光、紫外光、偏振光以及X射線衍射來觀察和早期鑒定蛋白質(zhì)晶體，同時又能實現(xiàn)1 000塊晶體板的20 ℃恒溫生長的功能。生長模塊可以實現(xiàn)幾萬塊晶體板16 ℃和4 ℃恒溫生長環(huán)境，同時又能通過帶有CCD的顯微鏡來實時觀察和記錄晶體生長狀態(tài)。

(3) 衍射數(shù)據(jù)收集儀器組:該機組包含Rigaku大功率單晶衍射和小角散射聯(lián)用儀、Bruker生物大分子雙探測器單晶衍射儀和1臺Panalytical X’pert Powder X射線粉末衍射儀。該機組可以實現(xiàn)物質(zhì)分子量從幾百 MD的生物大分子到幾十 D的小分子樣品的X射線衍射測試功能，同時樣品的形態(tài)也從小分子單晶、大分子單晶到多晶粉末以及溶液狀態(tài)，可以實現(xiàn)用戶對物質(zhì)微觀到亞微觀的結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究要求。

(4) 蛋白結(jié)構(gòu)解析儀器組:該機組主要是由學(xué)生自主操作的儀器組成，包含3臺數(shù)據(jù)處理工作站和1臺遠程數(shù)據(jù)收集工作站，可以通過HKL2 000等分析軟件來實現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析。

3.2 維護管理

在設(shè)備運維方面，平臺由1名事業(yè)編制高級工程師主管和3名合同制技術(shù)員進行專門的維護，保證了機器設(shè)備的連續(xù)完好運轉(zhuǎn)，任何機器故障問題基本都能在3～4 h內(nèi)完全解決，不影響正常的教學(xué)和科研任務(wù)?？茖W(xué)、合理、規(guī)范的測試收費制度，在公開透明的基礎(chǔ)上，保證了平臺的運行支出和儀器維護維修支出。另外，在學(xué)校儀器管理平臺儲備了維修基金，儀器運行維護得到保障，提高了儀器的可靠性和穩(wěn)定性，保證了儀器開放共享服務(wù)的質(zhì)量[1]。

平臺所有儀器納入校級平臺的網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)，集信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化管理于一體，實現(xiàn)對平臺儀器實時在線管理，提高了儀器管理的效率和儀器的利用率[2-5]。所有用戶都可以通過網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)注冊實名制賬戶，經(jīng)相關(guān)負責(zé)人審核通過后自助預(yù)約儀器，一人一賬戶，且賬戶僅限本人使用。除了網(wǎng)上預(yù)約方式之外，用戶還可以通過郵件預(yù)約、電話預(yù)約或者現(xiàn)場預(yù)約的方式確定儀器使用時間[1]。如有特殊要求或加急測試，用戶可以提前與相關(guān)儀器負責(zé)人溝通，由平臺提供一對一服務(wù)或加急服務(wù)。預(yù)約通過后，用戶如遇特殊情況無法按時使用儀器，可以提前取消預(yù)約。此外，平臺對已經(jīng)取得獨立上機資質(zhì)的用戶采用自助式預(yù)約使用模式，即自行網(wǎng)上預(yù)約、校園卡門禁開通、自主上機操作完成測試。這種模式不僅讓學(xué)生掌握了大型儀器的工作原理、使用性能和操作方法，提高了研究生的技能，還減輕了平臺技術(shù)人員的輔助測試工作量。從而更有力地促進了大型儀器的開放使用，提高了大型設(shè)備的使用效率[6]。

平臺的建設(shè)目標是建成全日制開放的平臺，即全年不分節(jié)假日24 h向用戶開放。實施儀器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)信息化管理，實現(xiàn)網(wǎng)上查詢和預(yù)約，是實現(xiàn)全面、全時開放的關(guān)鍵。

(1) 設(shè)備管理系統(tǒng):平臺的網(wǎng)絡(luò)預(yù)約管理系統(tǒng)包括配置查詢、使用預(yù)約、使用反饋、使用記錄、狀態(tài)記錄、培訓(xùn)授權(quán)等幾個模塊。通過預(yù)約系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)上查詢、在線預(yù)約、實時監(jiān)控、故障報警等功能，通過對儀器設(shè)備使用的動態(tài)管理，提高了儀器設(shè)備的使用效益，滿足了平臺的管理需要，為用戶提供了便捷的信息化服務(wù)。

(2) 人員管理系統(tǒng):平臺實驗室安裝了門禁系統(tǒng)，只有獲得了獨立上機資質(zhì)能夠獨立操作的用戶，才能獲得非工作時間進出平臺實驗室的門禁權(quán)限，未獲得獨立上機操作資格者，只能在工作時間、在平臺工作人員指導(dǎo)下使用儀器；針對校內(nèi)用戶平臺采用刷校園卡的方式為用戶開通門禁權(quán)限；針對校外用戶，則使用專用門禁卡的方式，個人專用，不支持多人共享，每學(xué)期管理員會根據(jù)儀器的使用情況清理門禁權(quán)限，及時解除離校學(xué)生或獨立上機資格失效用戶的權(quán)限，保障實驗室安全和公共儀器的穩(wěn)定運行[1]。

3.3 培訓(xùn)服務(wù)及人才培養(yǎng)

平臺合同制技術(shù)人員通過學(xué)習(xí)已有設(shè)備的維護和保養(yǎng)技術(shù)，在服務(wù)于本校用戶的同時，逐步開展對校內(nèi)、外等新用戶的示范操作和個人培訓(xùn)工作，使更多的用戶擁有獨立操作設(shè)備的資格，并能夠掌握儀器的操作、功能、應(yīng)用和新技術(shù)，每年約有50個新用戶獲得獨立操作設(shè)備的資格，隨著平臺的迅速發(fā)展，將會有越來越多的用戶獲得資格。每年按照用戶反饋，平臺會邀請儀器公司的高級應(yīng)用工程師或者技術(shù)支持人員并組織用戶集中培訓(xùn)，介紹儀器的新進展、新功能、新技術(shù)和新動態(tài)，以滿足更多生命學(xué)科用戶對新技術(shù)應(yīng)用的需求。如Mosquito蛋白結(jié)晶篩選儀，每年會有2次技術(shù)人員集中培訓(xùn)，受到了用戶的廣泛歡迎。通過這些培訓(xùn)服務(wù)使得平臺的每臺設(shè)備均對外提供良好、穩(wěn)定的開放服務(wù)，逐步提升平臺的運營效益。

平臺同樣注重內(nèi)部操作人員的專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)，只有高水平的專業(yè)技術(shù)人員才能開發(fā)和挖掘大型儀器的功能，使儀器更好地服務(wù)于科研[7-9]。近幾年來，平臺技術(shù)人員除了積極參加相關(guān)儀器公司來校進行的專題技術(shù)培訓(xùn)外，還積極參與校級平臺開設(shè)的大型儀器實驗課程，到生命學(xué)科相關(guān)實驗室交流學(xué)習(xí)。同時，平臺還派出相關(guān)技術(shù)人員參加各類專項技術(shù)培訓(xùn)，并取得相應(yīng)的技術(shù)資格證書。

平臺非常重視培養(yǎng)高素質(zhì)生命科學(xué)人才，在生命學(xué)院從事蛋白質(zhì)晶體學(xué)的學(xué)生約300多名，幾乎每一名學(xué)生都是通過平臺的設(shè)備開始學(xué)習(xí)實際的晶體操作，包括晶體撈取、晶體上樣、蛋白質(zhì)晶體數(shù)據(jù)收集和后期數(shù)據(jù)解析等。其中大分子單晶衍射儀作為主要的教學(xué)支持儀器，還直接參與蛋白質(zhì)晶體學(xué)的課程教學(xué)，為實際的上機操作和數(shù)據(jù)處理、解析的技能訓(xùn)練提供了保障。

從平臺正常運轉(zhuǎn)至今，已推薦攻讀結(jié)構(gòu)生物學(xué)博士1人，通過X射線衍射儀上機培訓(xùn)約50人次，組織參加Rigaku、Agilent、PANalytical等儀器公司技能培訓(xùn)20人次，參加校級平臺的儀器培訓(xùn)25人次，獲得技術(shù)資格證書5人次。

4 結(jié)語

隨著國家“雙一流”建設(shè)的啟動，高校的大型儀器資產(chǎn)數(shù)量和總價值越來越高，管理人員還須不斷學(xué)習(xí)、不斷總結(jié)、迎接挑戰(zhàn)，力爭建設(shè)出世界一流的平臺。堅持為教學(xué)服務(wù)、為科研服務(wù)、為社會服務(wù)的原則，切實發(fā)揮大型儀器的最大功能與效益，為世界一流學(xué)科建設(shè)做出貢獻[1]。

加強合作交流，實現(xiàn)真正意義上的資源共享、儀器共享以及信息共享，為學(xué)校和社會提供權(quán)威的測試結(jié)果，是蛋白質(zhì)X射線晶體學(xué)平臺建設(shè)的根本目標。平臺將本著“允公允能，日新月異”的精神，依托學(xué)校先進的科學(xué)儀器和科技團隊人員，根據(jù)國家和學(xué)科發(fā)展的需求，對專業(yè)平臺的發(fā)展進行規(guī)劃和統(tǒng)籌，將一些技術(shù)和分析測試方法貢獻于社會[10-12]。

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