现代化X射线晶体学平台建设及管理

王乐乐， 燕宝华， 陈喜玲， 范仕龙

(1. 清华大学 生命学院， 北京 100084； 2. 国家蛋白质科学研究(北京)设施清华大学基地， 北京 100084；3. 清华大学 结构生物学高精尖创新中心， 北京 100084)

2008年以来，为生命学科发展提供先进的研究手段和高水平的技术支撑，我校在生命学科领域陆续建设了3个校级公共科研平台，包括生物医学测试中心、实验动物中心和蛋白质研究技术中心(以下简称蛋白质中心)。其中，蛋白质中心作为国家级蛋白质科学研究平台和清华大学校级科研与公共服务平台并行管理，旨在建立标准化、自动化的工程技术手段，以提升蛋白质结构解析水平，高精度地测定从蛋白质分子到全细胞的三维结构，并在此基础上揭示蛋白质及其复合体的功能，建成具有国际一流水平和综合示范作用的蛋白质科学研究的核心基地。

X射线晶体学平台(以下简称平台)作为国际一流蛋白质中心的有机组成部分，其管理人员最主要的工作在于如何通过优化先进科研仪器服务模块和管理模式以及开发仪器潜在功能，提供快速化、多样化、高效化的专业服务，以保障科研仪器充分发挥应有的使用效益，为科研团队产出优质成果提供保障。同时，随着大量专业化强、价格昂贵、维护费用高的大型仪器引进，须解决仪器管理和使用中存在的相关问题。

结合平台的建设管理经验，针对专业平台的仪器管理，实现资源共享和提高使用效益，提出了特色管理模式，解决了专业平台的仪器资源如何有机整合、高效支撑科技创新和成果转化的问题。

1 X射线晶体学平台建立背景

蛋白质晶体学是利用蛋白质及其复合物晶体的X射线衍射数据来分析生物大分子三维精细结构的学科，它不仅与生物学、医学紧密相关，需要物理学、化学、数学以及计算机学科作为它的基础。随着各学科的不断发展，蛋白质晶体结构的测定方法和结构测定所使用的仪器也都有了飞跃的进步。

我校结构生物学中心作为国际一流的研究中心，之前配备1台晶体筛选仪器和2台大分子X射线衍射仪，在教学与科研中发挥了重要的作用。但随着测试技术的迅猛发展及日益增加的科研需求，平台设备支撑力度不足的问题越加明显，而且设备常年处于满负荷运行状态，以型号为MicroMaxTM-007 HF的Rigaku蛋白质单晶衍射仪为例，自2009年投入使用至2013年，始终处于满负荷运转的状态，年有效使用机时达3 000 h，为结构中心的15个实验室提供了有力的实验保障，所有的原始晶体检验、晶体生长条件的优化、一般基本数据的收集都是在此台仪器上完成，校内生命学科用户预约十分紧张。此外，仪器设备使用年期较久，存在潜在的使用寿命风险。另外这些设备只针对院内的科研人员，无法实现面向外系和外校的公共测试服务。

为支持学校结构生物学中心在结构生物学中最具有挑战性的重大前沿课题的研究，适应其在国际结构生物学研究中领先的地位，建立蛋白质研究技术中心X射线晶体学平台变得至关重要。作为国内领先地位的平台，必须以配备国际一流的测试仪器设备、培训高水平的设备管理人才和实现平台全面对外开放为目标，争取在未来的中国乃至世界的结构生物学发展中起到关键性的作用。

2 X射线晶体学平台建设历程

2.1 建设思路

蛋白质晶体学主要研究步骤分为蛋白质及其复合物的结晶、晶体优化和测试、收集高分辨率的晶体衍射数据，最终通过数据解析得到蛋白质分子的三维结构。

针对蛋白质晶体学研究步骤，首先蛋白质结晶和优化过程均需要大量的条件筛选和繁杂的Buffer配制，通过全自动化、高通量的设备可为结晶筛选繁复的试验过程提供快速简便的技术支持；其次蛋白晶体的生长须要保持恒温的环境，建立晶体生长恒温间也是必不可少的，同时在生长过程中蛋白质晶体或者盐晶以及其他晶体通常是依靠经验来辨别，如今具备多样化观察手段的设备层出不穷，这些都为蛋白晶体的高效分辨提供了方便快捷的技术支持；最后蛋白质晶体的数据收集需要大功率的X射线发生器提供集中高强度的X射线，这些设备往往价格高昂，实验室单独采购的可能性较低，因此建立一个重点服务于结构生物学、高通量、高度自动化的仪器共享平台，生命科学享有优先使用权，是平台建设的特色和宗旨。

2.2 建设历程

平台在建设初期，于2013年引进了2台Art Robins公司的蛋白质结晶筛选机械手，1台原Angilent公司的型号为PX Scanner的原位蛋白质晶体衍射观察仪。在2014—2015年度， 平台已逐步进入正式运营阶段，为满足高速筛选、微量体积和早期鉴定的需求，分别引进了1台TTP 公司的型号为Mosquito的蛋白质结晶筛选工作站、1台Formulatrix公司的型号为Rock Imager 的全自动晶体观察系统，以及Rigaku大功率单晶衍射和小角散射联用仪、Bruker生物大分子双探测器单晶衍射仪、1台TECAN公司的型号为Freedom EVO的蛋白质结晶配液工作站。此外还建立了16 ℃和4 ℃晶体生长恒温间。2016年平台为了完善研究技术和设备功能，分别引进了1台TTP 公司的型号为Dragonfly的蛋白质晶体优化配液工作站和1台BioSAXS生物小角高通量自动进样器。在2016—2017年度，平台已完成了大部分计划内的仪器设备采购，形成了完整的规模，其中大型仪器9台。通过设备整合，形成了平台4大功能模块:蛋白晶体自动化筛选优化系统、自动化晶体生长观察和早期鉴定系统、衍射数据收集系统、蛋白结构解析系统，可为科研人员提供大部分针对蛋白质晶体学研究领域的服务工作。

目前平台具有全国最全面的蛋白质结晶所需的设备以及国际上顶尖配置的大分子单晶衍射仪和小角散射系统，这些设备为从事蛋白质结构研究的科研人员提供蛋白晶体筛选制备、衍射数据收集、蛋白质结构解析等方面的强大技术支持。

2.3 建设成效

自2013年6月平台开放服务至今，平台通过优化仪器设备的配置、整合仪器设备的功能，提高了大型仪器的使用效率，促进了平台的快速发展，发挥了对生命科学研究重要的支持作用。

在具体科学研究的支持方面， 2013—2017年度，我校结构生物学中心依托平台仪器技术支撑发表在顶级国际权威杂志包括《Science》《Nature》和《Cell》上的文章有几十篇，其他发表在如《美国科学院杂志》《细胞研究》《细胞报道》等杂志上的文章更是数量众多，发表在SCI期刊的文章多达数百篇，并申请多项重点研究课题，其中包括“973”课题、基金委重点项目、国家自然科学基金委项目、清华大学自主科研项目、科技部重大研究项目以及教育部所支持的项目等，总经费额达6 000万元。这表明，X射线晶体学平台是众多科研项目的重要支撑平台，在科研项目的申请和完成过程中发挥着重要作用。

完善的平台管理机制以及仪器设备的良好运行使得前来测试的课题组和用户人数每年有所增加，至2016年底，用户已累计约200户，仪器使用总次数累计约4 000次。随着平台的使用效益逐年升高，对学校生命学院、医学院、化学院的科技支持力度增加，平台已连续4年获得我校实验室与设备处大型仪器设备使用效益奖，如大功率单晶衍射仪分别获得27—29届“清华大学大型仪器设备使用效益一等奖”，并于2017年获得第30届“清华大学大型仪器设备示范机组”，蛋白质结晶工作站分别获得28—30届“清华大学大型仪器设备使用效益三等奖”。

此外，平台根据用户需求与其他高等院校、研究院所和公司企业建立科技服务项目合作，到2017年第一季度已经有16家科研院所和企业与平台建立了研究项目合作，其中几家单位提出了不止1个研究项目合作的需求，拜尔公司还提出了与平台建立长期合作，项目经费达60万元。随着项目合作的增多，平台也培养了一批拥有丰富实验技能和深厚科研实力的技术人才，为平台更好的发展提供良好的人才储备。

3 X射线晶体学平台管理模式

3.1 平台架构

平台具有较强的专业性，根据仪器设备的功能特色和服务方向，将平台划分为蛋白晶体筛选仪器组、晶体生长观察仪器组、衍射数据收集仪器组、蛋白结构解析仪器组，构建了一套完整的技术服务体系。每个机组均配备专业的技术人员负责日常管理、辅助操作、用户培训及日常维护等工作。每个机组均设有机组负责人，负责监控仪器的服务状态和测试情况。

(1) 蛋白晶体筛选仪器组:该机组包含2台Art Robins的蛋白质结晶筛选机械手、1台TTP 公司的 Mosquito蛋白质结晶筛选工作站和1台Dragonfly的蛋白质结晶配液工作站，以及1台TECAN Freedom EVO8蛋白质结晶配液工作站。每台结晶筛选工作站的功能均有所不同，实现了自动化液体处理到高通量、高速度的晶体筛选过程，满足了大部分用户对仪器设备的不同要求。

(2) 晶体生长观察仪器组:该机组包含2个小模块，晶体观察模块包含1台原Angilent 的 PX Scanner的原位蛋白质晶体衍射观察仪和1台Formulatrix的Rock Imager 全自动晶体观察系统；晶体生长模块包含16 ℃和4 ℃晶体生长恒温间。2个模块既能相互支撑，又可以相互独立，观察模块可以实现通过可见光、紫外光、偏振光以及X射线衍射来观察和早期鉴定蛋白质晶体，同时又能实现1 000块晶体板的20 ℃恒温生长的功能。生长模块可以实现几万块晶体板16 ℃和4 ℃恒温生长环境，同时又能通过带有CCD的显微镜来实时观察和记录晶体生长状态。

(3) 衍射数据收集仪器组:该机组包含Rigaku大功率单晶衍射和小角散射联用仪、Bruker生物大分子双探测器单晶衍射仪和1台Panalytical X’pert Powder X射线粉末衍射仪。该机组可以实现物质分子量从几百 MD的生物大分子到几十 D的小分子样品的X射线衍射测试功能，同时样品的形态也从小分子单晶、大分子单晶到多晶粉末以及溶液状态，可以实现用户对物质微观到亚微观的结构形态的研究要求。

(4) 蛋白结构解析仪器组:该机组主要是由学生自主操作的仪器组成，包含3台数据处理工作站和1台远程数据收集工作站，可以通过HKL2 000等分析软件来实现蛋白质结构解析。

3.2 维护管理

在设备运维方面，平台由1名事业编制高级工程师主管和3名合同制技术员进行专门的维护，保证了机器设备的连续完好运转，任何机器故障问题基本都能在3～4 h内完全解决，不影响正常的教学和科研任务。科学、合理、规范的测试收费制度，在公开透明的基础上，保证了平台的运行支出和仪器维护维修支出。另外，在学校仪器管理平台储备了维修基金，仪器运行维护得到保障，提高了仪器的可靠性和稳定性，保证了仪器开放共享服务的质量[1]。

平台所有仪器纳入校级平台的网上预约系统，集信息化、网络化、自动化管理于一体，实现对平台仪器实时在线管理，提高了仪器管理的效率和仪器的利用率[2-5]。所有用户都可以通过网上预约系统注册实名制账户，经相关负责人审核通过后自助预约仪器，一人一账户，且账户仅限本人使用。除了网上预约方式之外，用户还可以通过邮件预约、电话预约或者现场预约的方式确定仪器使用时间[1]。如有特殊要求或加急测试，用户可以提前与相关仪器负责人沟通，由平台提供一对一服务或加急服务。预约通过后，用户如遇特殊情况无法按时使用仪器，可以提前取消预约。此外，平台对已经取得独立上机资质的用户采用自助式预约使用模式，即自行网上预约、校园卡门禁开通、自主上机操作完成测试。这种模式不仅让学生掌握了大型仪器的工作原理、使用性能和操作方法，提高了研究生的技能，还减轻了平台技术人员的辅助测试工作量。从而更有力地促进了大型仪器的开放使用，提高了大型设备的使用效率[6]。

平台的建设目标是建成全日制开放的平台，即全年不分节假日24 h向用户开放。实施仪器设备的网络信息化管理，实现网上查询和预约，是实现全面、全时开放的关键。

(1) 设备管理系统:平台的网络预约管理系统包括配置查询、使用预约、使用反馈、使用记录、状态记录、培训授权等几个模块。通过预约系统实现了网上查询、在线预约、实时监控、故障报警等功能，通过对仪器设备使用的动态管理，提高了仪器设备的使用效益，满足了平台的管理需要，为用户提供了便捷的信息化服务。

(2) 人员管理系统:平台实验室安装了门禁系统，只有获得了独立上机资质能够独立操作的用户，才能获得非工作时间进出平台实验室的门禁权限，未获得独立上机操作资格者，只能在工作时间、在平台工作人员指导下使用仪器；针对校内用户平台采用刷校园卡的方式为用户开通门禁权限；针对校外用户，则使用专用门禁卡的方式，个人专用，不支持多人共享，每学期管理员会根据仪器的使用情况清理门禁权限，及时解除离校学生或独立上机资格失效用户的权限，保障实验室安全和公共仪器的稳定运行[1]。

3.3 培训服务及人才培养

平台合同制技术人员通过学习已有设备的维护和保养技术，在服务于本校用户的同时，逐步开展对校内、外等新用户的示范操作和个人培训工作，使更多的用户拥有独立操作设备的资格，并能够掌握仪器的操作、功能、应用和新技术，每年约有50个新用户获得独立操作设备的资格，随着平台的迅速发展，将会有越来越多的用户获得资格。每年按照用户反馈，平台会邀请仪器公司的高级应用工程师或者技术支持人员并组织用户集中培训，介绍仪器的新进展、新功能、新技术和新动态，以满足更多生命学科用户对新技术应用的需求。如Mosquito蛋白结晶筛选仪，每年会有2次技术人员集中培训，受到了用户的广泛欢迎。通过这些培训服务使得平台的每台设备均对外提供良好、稳定的开放服务，逐步提升平台的运营效益。

平台同样注重内部操作人员的专业素质培养，只有高水平的专业技术人员才能开发和挖掘大型仪器的功能，使仪器更好地服务于科研[7-9]。近几年来，平台技术人员除了积极参加相关仪器公司来校进行的专题技术培训外，还积极参与校级平台开设的大型仪器实验课程，到生命学科相关实验室交流学习。同时，平台还派出相关技术人员参加各类专项技术培训，并取得相应的技术资格证书。

平台非常重视培养高素质生命科学人才，在生命学院从事蛋白质晶体学的学生约300多名，几乎每一名学生都是通过平台的设备开始学习实际的晶体操作，包括晶体捞取、晶体上样、蛋白质晶体数据收集和后期数据解析等。其中大分子单晶衍射仪作为主要的教学支持仪器，还直接参与蛋白质晶体学的课程教学，为实际的上机操作和数据处理、解析的技能训练提供了保障。

从平台正常运转至今，已推荐攻读结构生物学博士1人，通过X射线衍射仪上机培训约50人次，组织参加Rigaku、Agilent、PANalytical等仪器公司技能培训20人次，参加校级平台的仪器培训25人次，获得技术资格证书5人次。

4 结语

随着国家“双一流”建设的启动，高校的大型仪器资产数量和总价值越来越高，管理人员还须不断学习、不断总结、迎接挑战，力争建设出世界一流的平台。坚持为教学服务、为科研服务、为社会服务的原则，切实发挥大型仪器的最大功能与效益，为世界一流学科建设做出贡献[1]。

加强合作交流，实现真正意义上的资源共享、仪器共享以及信息共享，为学校和社会提供权威的测试结果，是蛋白质X射线晶体学平台建设的根本目标。平台将本着“允公允能，日新月异”的精神，依托学校先进的科学仪器和科技团队人员，根据国家和学科发展的需求，对专业平台的发展进行规划和统筹，将一些技术和分析测试方法贡献于社会[10-12]。

References)

[1] 冯倩倩，赵敏，靳娇，等. 生命科学学科仪器共享平台的特色与管理模式[J]. 实验技术与管理， 2017，34(2):250-253.

[2] 赵阳.浅谈科研仪器使用率和效益的提高[J].实验室研究与探索， 2017，36(3):291-294.

[3] 崔江蕙，刘会玲，刘树庆.高校大型仪器设备管理的实践与探索[J].实验室研究与探索，2011，30(10):198-200.

[4] 熊娟，杨向荣.高校实验室大型仪器设备管理及资源共享的探索[J].分析仪器，2010，5:84-86.

[5] 姚超，杜仲，杨建成.大型仪器设备管理若干问题探索与实践[J].实验室科学，2016，19(5):184-187.

[6] 鲁伟，李莉，胡颖.生物实验室仪器设备的管理与共享[J]. 实验科学与技术，2011，9(1):158-160.

[7] 王颖梅.浅谈高校大型仪器平台建设与共享模式构建[J].新西部旬刊，2015(10):96-96.

[8] 杨斌.高校实验室大型仪器技术管理模式探讨[J].广西大学学报(自然科学版)，2007，32:119-121.

[9] 刘辉军，方波，孙斌.浅谈提高示范中心大型仪器设备利用率[J].实验科学与技术，2012，10(3):178-180.

[10] 崔庆新，李岩君，陶瑾，等. 快速药物分析测试平台建立及其成效[J]. 实验技术与管理， 2017，34(2):97-100.

[11] 付强， 王志强， 朱平川. 生命科学大型仪器平台建设探索与实践[J]. 实验科学与技术， 2012，10(3):175-177.

[12] 胡宁. 探索大型仪器开放运行的新机制[J]. 实验技术与管理， 2005，22(11):19-21.