去了又回来:样品在戴蒙德的冒险是如何展开的?

2021年7月16日

作者:Mark Williams (Diamond Light Source Ltd .

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在戴蒙德，没有典型的一天，也没有典型的样品。betway88体育官网来自世界各地的科学家使用这个光源设备进行其他任何地方都无法进行的关键实验，使他们能够在化学、物理和材料科学、生命科学、环境和地球科学以及文化遗产方面的研究取得巨大的飞跃。在任何一天，聚集在戴蒙德的光束线上的强光都可以照射到从可充电电池、疾病蛋白到恐龙骨骼等各种各样的样本上。
在生命科学领域，大分子晶体学(MX)几十年来一直是学术研究人员和制药公司的重要工具。MX以原子分辨率揭示了生物分子的形状和排列，提供了对其功能的高精度洞察。
Diamond的这一核心活动提供了7条专用光束线，使其专门的团队能够移动传统MX的可行目标，并开发可以将MX提升到下一个水平的技术和光束线。在自动化方面已经取得了巨大的进步，可以在几分钟内提供结果。许多实验现在也可以远程进行，减少了用户旅行的需要，尽管Covid-19大流行，但科学仍然可以继续进行。

为远程实验送样品

这是如何工作的呢?在任何事情发生之前，研究人员需要申请波束时间;由于对这个稀有而昂贵的设施的高需求，戴蒙德竭尽全力确保这个过程是公平的。因此，所有潜在用户都必须参与一个高度竞争的、同行评审的申请过程，这个过程对英国、欧盟和国际科学家开放。betway88体育官网除商业用途外，该设施在使用地点是免费的。
一旦波束时间得到批准，研究人员需要决定如何发送他们的样本，其中大部分用于MX研究的样本将是蛋白质晶体。这可能是一个复杂的过程，因为样品通常在液氮中深度冷冻，需要高度专业化的技术来实现良好的保存，以及能够安全运输样品的特殊运输系统。
因此，样品的旅程从用户的家庭实验室开始。用户在戴蒙德的用户管理系统中注册他们希望发送的每个样品，通过该系统，工厂的安全小组检查它们是否包含任何可能需要额外安全预防措施的危险物质。
在用户实验室中，每个晶体样品都被“钓”到标准化大头针顶部的微小尼龙环上。每个大头针都被插入液氮中可以容纳16个样品的Unipuck中。发送多少别针取决于用户，但7个Unipucks可以装进一个标准的运输杜瓦，用液氮预冷却。
每个Diamond用户都可以登录ISPyB数据库，通过web浏览器访问。“蛋白质晶体学光束线信息系统”是由钻石光源、欧洲同步辐射设施BM14 (e-HTPX)和欧盟资助的SPINE项目联合开发的。
用户将每个样品引脚记录到ISPyB，包括样品的详细信息及其在杜瓦瓶中的位置。然后，用户只需点击ISPyB内的链接，就可以安排戴蒙德的快递员收集杜瓦瓶，并将其送到哈维尔网站(对于英国和欧洲的学术用户来说，这不会花他们一分钱)。
阻挡冰球底座阻挡冰球底座和盖子
到达后，杜瓦被货物处理部门的工作人员登记到ISPyB，并由实验大厅协调员(ehc)收集，作为他们角色的一部分，他们将杜瓦转移到钻石存储系统。电子健康中心提供24小时服务，确保同步加速器大楼的正常运作。

自动样品停放

戴蒙德的杜瓦瓶存储系统就像样品的自动停车。它有两层楼高，一次可以容纳大约100个杜瓦瓶。ehc或货物处理扫描每个杜瓦瓶进入存储系统，并负责在必要时补充液氮冷却剂。虽然一些杜瓦瓶只能在存储系统中保存几个小时，但如果必要的话，它们可以“在冰上”保存几周。
ISPyB数据库有一个叫做“实验类型”的部分，允许用户从预定义的列表中为他们的样本选择“配方”——数据收集参数。
对于Diamond MX光束线I03, I04, I04-1, I24，工作人员检查存储中的样品适合远程运行或在无人值机数据采集(UDC)模式下自动运行。然后他们从仓库里收集相关的杜瓦瓶，扫描出来。然后将每个冰球从运输杜瓦瓶转移到光束线上的特殊实验杜瓦瓶中。束线杜瓦可以容纳37个冰球，是为机器人设计的。每个冰球都被仔细地扫描到数据库中，以记录它在杜瓦实验中的位置。
此时，用户会收到通知，他们的样本已经被加载到光束线上进行自动UDC实验，或者在他们预定的远程访问时间，他们可以从世界上任何地方连接到光束线上并自己运行实验。如果他们愿意，他们可以通过ISPyB实时查看他们的实验进展。当机器人从杜瓦瓶中取出样品时，会拍摄一张照片，然后是实验进行时的图像。
对于UDC实验，当样品被放置在实验环境中时，光束线使用x射线自动定位和居中样品，然后按照用户指定的要求运行实验。每次衍射实验需要两到三分钟，机器人需要大约15秒的时间来更换样品。
compbipuck底座与I23样品夹和compbipuck盖子
一旦单个实验完成，戴蒙德的计算机集群就开始处理数据，这可能需要2到30分钟，这取决于同时处理的数据量。如果用户提供了关于样品性质的额外数据，Diamond可以为他们做更多的数据处理;有了高质量的数据，这通常可以导致自动结构解决方案，结果可访问。
用户可以通过ISPyB访问原始数据和经过处理的数据。原始数据有几个gb，除非实验数据后来发表，否则可能不需要。处理过的数据只有几兆字节，用户在本地系统上处理起来要容易得多。
当实验结束时，光束线工作人员将样品卸载到他们的运输杜瓦瓶中，并将它们扫描回存储系统。这将通知用户，用户可以再次通过ISPyB安排安全返回。

在真空MX

将样品运送到Diamond的这个过程假设实验将在空气中进行，这是MX的典型情况。然而，光束线I23非常不同。I23是目前世界上唯一可以在真空中进行MX实验的光束线。
I23是为长波长MX设计的，它利用了硫、磷、钾、氯或钙等元素的异常散射特性。这项技术使研究人员能够在不需要额外标记的情况下解决蛋白质和核酸的结构，并确定这些轻元素的位置。由于这些波长的x射线被空气强烈吸收，所以实验需要在真空中进行。这使得保持样品低温并将其转移到光束线上更具挑战性。
为了简化用户的生活，I23上的光束线工作人员设计了一个尽可能类似于标准MX的样品提交过程，除了可按要求提供的专用样品夹外，只使用市售设备。
取代标准引脚，I23样品夹有一个导热铜引脚和本体，以及一个强大的磁铁底座。使用适配器使它们兼容运输，也意味着样品可以在其他波束线上预先筛选。Combipucks代替Unipucks用于运输，并且可以根据要求出借。
I23样品盒与适配器123样品盒
I23的样品被登录到ISPyB，运送到Diamond，并放置到自动化存储区。在下一步中，样品夹从compbipucks中取出并与其适配器分离。然后将样品盒放置到特殊的传输块中，每个传递块中装有四个具有优异导热性和显著热质量的样品。这些操作在液氮中进行，以保持样品的低温。然后将四个转移块加载到用于将样品转移到低温转移系统(CTS)的块冰球上。内部设计和建造的CTS充当了装载站、穿梭机和气闸，将液氮样品送入真空室。一旦实验完成，系统反向运行，将样本返回给用户。
96孔板晶体被放置在回声声学分配器分配碎片
96井板晶体晶体移位准备钓鱼晶体与环安装在一个针

片段筛选

当涉及到片段筛选时，情况又有所不同。
大多数药物的作用是由于药物化合物和体内蛋白质之间的化学相互作用。在片段筛选中，研究人员测试化合物的微小片段是否与目标蛋白质连接。片段筛选比较大的化合物更快速、更容易，片段筛选已成为发现早期药物(“先导”)的有力方法。
Diamond与牛津大学合作开发了XChem碎片筛选设备，该设备采用高度简化的流程，围绕I04-1束线开发，可在不到一周的时间内筛选多达1000种化合物。在covid - 19之前，用户将带着他们的样本到达Diamond，并使用现场实验室将他们的蛋白质晶体浸泡在片段溶液中(Diamond有片段库，用户也可以自带)。然后，用户将在半自动化的Shifter显微镜台的协助下，将浸泡过的晶体打捞到针上，然后将它们放在光束线工作人员能干的手中，装载到光束线上。在大流行期间，浸泡和样品制备也由束线工作人员完成。
用于片段筛选的样品被装上大头针并装入Diamond的UniPucks，不会返回给用户——设备被清洗并重复使用。虽然他们的旅程在戴蒙德结束，但这些样本产生的数据节省了几个小时、几个月甚至几年的浪费时间。
每天都有数百个样本通过Diamond，它可以被认为是一个巨大的机器，使用样本来产生科学。来自各个学科和行业的14000多名研究人员在大约700名工作人员的协助下使用Diamond进行实验。每一次旅程都是独一无二的，但目的是相同的:增进我们对我们所生活的世界的了解。

参考文献

在“MX实验的样品夹和冰球”下搜索网络制造商/供应商
SPINE别针和冰球的商业供应商不止一家，它们是定义标准的，请参阅:https://diamond.ac.uk/Instruments/Mx/Common/Common-Manual/Sample-Holders/Pucks-and-pins.html
I23: https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Mx/I23/I23/Manual/Sample-Holders.html