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上海光源:好光频借力
来源:     作者:      2016-10-08 11:39       

 

■本报记者 甘晓

7月13日,中科院微生物所副研究员齐建勋来到上海光源南门,按照惯例拿到了实验用的门禁卡。从上海光源出光起,齐建勋就经常往返京沪两地,已经是上海光源不折不扣的老用户了。

上海光源的所在地,位于张江科技园区的张衡路和蔡伦路之间。这些以中国古代科学家命名的街道,让齐建勋感受到浓烈的科学氛围。

今年年初,齐建勋所在的中科院微生物所高福课题组成功解析了埃博拉病毒糖蛋白结合内吞体受体NPC1的分子机制,为抗病毒药物设计提供了新靶点,并且加深了科学家对埃博拉病毒入侵机制的认识,为应对及防控埃博拉疫情提供了重要的理论基础。

好光频借力,知微更知彰。齐建勋告诉《中国科学报》记者,在这项实验中,上海光源生物大分子晶体学光束线站(BL17U1)发挥了不可替代的作用。

为科研而生

穿过一条长长的走廊,《中国科学报》记者走进了上海光源内部。灰色是这座宏大建筑的主色调,稳重而严肃。432米周长的储存环是它的主要结构,加上150MeV的直线加速器、3.5GeV的增强器、首批建成的7条光束站,以及包括高频、磁铁、电源、真空、束线光学等设施,上海光源内部科技感十足。

中科院上海应用物理所所长、上海光源国家科学中心(筹)主任赵振堂告诉《中国科学报》记者:“在周长432米的环形加速器中,能量为3.5GeV的电子束以接近光的速度飞行,在拐弯时放射出高强度电磁波。这些电磁波再被分成从远红外到硬X射线等不同波长的高品质同步辐射光,然后传送到实验站的样品上。”运用这一科学原理,科学家可以从分子和原子尺度上观察微观物质世界。

2014年,中科院制定实施的“率先行动”计划中,上海光源入选首批建设的大科学研究中心之一,以“服务科研”为主要价值导向。

自2010年建成以来,上海光源团队用实际行动践行了这一导向。不仅助力生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、原子分子物理等多学科的前沿基础研究取得多项研究成果,上海光源也在微电子、医药、石油、生物工程等高技术的开发研究上有所建树。

借助上海光源,中科院大连化物所包信和团队探索出天然气直接转化利用的有效方法,清华大学医学院颜宁研究组首次揭示人源葡萄糖转运蛋白的三维晶体结构,北京大学化学与分子工程学院李彦课题组发现了单壁碳纳米管的手性选择性生长机制,中科院物理所丁洪课题组则利用“梦之线”线站发现了外尔费米子。

截至今年4月,上海光源首批7条光束线站共提供超过20万小时的用户实验机时,支持课题7800余个,来自近400家高校、科研院所、医院和公司的近2000个研究组、13000多名用户在这里进行了实验。目前已发表论文2500余篇,包括发表在《科学》《自然》《细胞》等国际顶级刊物上的论文51篇。

“上海光源服务的科研项目覆盖了基础、应用和技术开发领域,许多项目直接与老百姓生活息息相关。”赵振堂指出,“科技与民生,在以上海光源为代表的平台型大科学装置上成为一枚硬币的两面,其共同的基础都是人类获得更美好的生活。”

此外,通过上海光源的建设,还形成了若干新的技术生长点,直接带动了我国高性能加速器、先进电工技术、超高真空技术、高精密机械加工、X射线光学、快电子学、超大系统自动控制技术以及高稳定建筑等先进技术的发展。

据介绍,上海光源的国产非标设备大部分是基于联合开发的技术,光源队伍负责原理设计和样机,厂家负责加工工艺和批量生产。建造过程中,超过100家单位承接了研制和制造任务,相关技术大多数无偿留在了企业,也大幅推动了企业的产品升级和技术进步。

高水平管理促开放共享

2015年3月15日前后,齐建勋带着液氮罐从火车站直奔上海光源。罐中是课题组同事刚刚培养出的NPC1-C大分子晶体。研究发现,NPC1-C分子与埃博拉病毒入侵人体细胞有关。

“依靠上海光源的高质量X光,我们可以将NPC1-C分子如何介导埃博拉病毒入侵的动态过程‘拍摄’出来,像动画片一样以一幅幅静态画面来呈现。”齐建勋告诉《中国科学报》记者。

齐建勋使用的生物大分子晶体学光束线是上海光源的一条“明星”线站。据统计,2012年利用该线站测定的蛋白质结构数达201个,单个线站测定结构数在亚太地区遥遥领先,在全球130多条生物大分子光束线站中名列第三。

此时,距离课题组向上海光源提出机时申请,刚刚过去一个星期。

据记者了解,为了保证富有成效的开放共享,上海光源制定了一套严格的管理机制。首先,他们从用户中遴选一批权威专家,组成涵盖各学科的用户委员会。“用户提出申请、用户专家来审批”的制度规范实现了公平原则。

同时,上海光源为用户提供免费、付费两种机时。免费机时用于以发表研究成果为目的的公益研究;付费机时用于以产生经济效益为目的的产品研发,不超过总机时的10%。

同时,免费机时被进一步分为普通课题、紧急课题、重点课题、奖励机时等。其中,在重大疫情发生时,相关研究可被评为紧急课题;如果用户的成果刊登在顶级学术期刊上,便可获得额外的奖励机时。

齐建勋从事的与埃博拉病毒相关的研究,就是因为被列为紧急课题而迅速获得了机时。3个月里,齐建勋与同事十多次在生物大分子晶体学光束线站上测定实验室中样品的结构。

“上海光源不仅创造性地设计出好用的生物大分子晶体学光束线,在运营中也时刻不遗余力地支持用户的科研工作。”齐建勋表示。他们的实验要求在液氮温度下进行,有一次衍射仪探测器突然出现故障,升温到00C以上。上海光源相关工程师迅速赶到现场,解决了设备故障。

2015年6月,NPC1-C的单体结构成功测定。研究人员同时收集了NPC1-C和GP的复合晶体衍射数据。至此,历经短短5个月时间,高福课题组完成了培养晶体和结构测定的研究工作,为随后从分子水平阐释了一种新的病毒膜融合激发机制奠定了基础。

此外,上海光源也吸引了一大批企业用户,涉及化工、材料、半导体、技术鉴定等行业。“利用上海光源获得的大量结构数据已被多家国际制药公司用于新药研发。”赵振堂介绍说。

在赵振堂看来,上海光源实行这样的管理制度兼顾了资源公平、高效利用,促进了高水平科研成果的产生。

未来之光即将闪耀

据赵振堂介绍,今年下半年,上海光源将开始打造二期16条光束线站,预计3年后开始陆续出光。二期建设完成后,光源将有近40条束线向用户开放,每年来光源的实验人数将超过1万人次。“到时,上海光源作为大科学研究中心依托的大科学装置,还将对高端人才发挥集群作用。”他表示。

科学家对未来之光的期待除了在螺旋形的建筑里,还有园区内的另一台“利器”。踏出上海光源的螺旋形建筑,一座长度超过200米的直型隧道映入眼帘。这便是被称为“下一代先进光源”的X射线自由电子激光。

目前,基建工程已接近尾声。记者进入隧道内部看到,隧道内墙上每隔几米就有一个精致元件。负责自由电子激光物理设计的上海应物所研究员邓海啸告诉《中国科学报》记者,这些元件将来用以保证设备的精度。

“自由电子激光具备超高的亮度、超短的脉冲和极好的相干性,将成为一种探索自然奥秘和发展高新技术的最先进的研究平台,帮助科学家更快、更准确地解析微观结构,使人们从拍分子照片进入拍分子电影的时代。”邓海啸表示。

不久后,各式各样的设备即将进驻这条隧道,上海光源X射线自由电子激光则计划在2017年年底出光。到时,大型自由电子激光装置配合第三代同步辐射光源,将使我国成为全球仅有的七个拥有类似大科学装置集群的国家之一。

赵振堂表示:“目前,上海光源正发挥自身平台优势,聚集来自不同学科和高技术领域的科学家、工程师,点亮新思想、创造新方法、开辟新学科,形成良好的科技生态环境。”

记者手记

感受科技的力量

此次探访上海光源已是我第二次走进上海光源。大约在3年前,我在一名科研人员的带领下,走进了这座硕大的建筑物。当时,不同于一般实验室,整齐划一而锃亮的管道和设备充满了视觉上的冲击力。这就是科技的力量。

3年后的今天,再次来到上海光源,一切都没有发生大的变化。只是我对这里的理解已经远超当时视觉上的冲击。

科技的力量体现在大科学装置本身的科技内涵上。上海光源在研制过程中,自主研发了近百项关键技术。比如,通过低发射储存环、增强器和单束团直线加速器的50多项关键技术突破和系统集成创新,使我国光源亮度提高了4个量级。

科技的力量体现在大科学装置为科研和工业服务上。中科院“率先行动”计划明确提出,大科学研究中心要以“服务科研”为价值导向,上海光源算是一个典范。修复故宫精细文物、剖析病毒复杂机理、打造高铁高强度外壳……在服务基础科研、国计民生重点项目上,上海光源没有缺席。

科技的力量还体现在不断的创新上。上海光源至今没有停下创新的步伐,下一代光源X射线自由电子激光正在按计划进行建设。中国科学家即将拥有一台“超级X光机”。

“格物致知”“Light&Truth”(光即真相)。正如上海光源中控室墙上的口号,科技的力量在这里体现得淋漓尽致。期待下次来这里又有新的收获!