一个样品的冒险是如何在Diamond展开的?

这篇文章着眼于英国国家同步加速器设备样品测试背后的一些过程和操作

在戴蒙德，没有什么典型的一天，也没有什么典型的样品。来自世界各地的科学家使用这个光源设施进行其他任何地方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飞跃。在任何一天，聚焦在戴蒙德光谱线上的强光都可以照射到各种各样的样品上，包括可充电电池、疾病蛋白和恐龙骨骼。
在生命科学领域，大分子结晶学(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，提供了对它们功能的高度精确的洞察。
Diamond的这一核心活动提供了7条专用波束线，使其专门小组能够改变传统MX的可行性，并开发技术和波束线，使MX达到下一个水平。在自动化方面已经取得了巨大的进步，创造了可以在几分钟内提供结果的高吞吐量波束线。许多实验现在也可以远程进行，减少了用户旅行的需要，使科学在Covid-19大流行的情况下继续进行。

为远程实验发送样品

这是如何运作的?在任何事情发生之前，研究人员需要申请波束时间;由于对这种罕见而昂贵的设施的高需求，戴蒙德竭尽全力确保过程的公平。因此，所有潜在用户必须参与一个高度竞争、同行评审的申请过程，该过程对英国、欧盟和国际科学家开放。除商业用途外，该设施在入口处是免费的。
一旦获得光束时间，研究人员需要决定如何发送他们的样本，用于MX调查的大部分样本将是蛋白质晶体。这可能是一个复杂的过程，因为样本通常在液氮中进行深度冷冻，这需要高度专业的技术来实现良好的保存，并需要特殊的运输系统来安全地运输样本。
因此，样品的旅程从用户的家庭实验室开始。用户在Diamond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，设施的安全小组检查样品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”到标准化别针顶部的微小尼龙环上。每根针都被插入一个Unipuck中，该Unipuck可以容纳16个液氮样品。这取决于用户发送多少个针，但七个Unipucks可以装进一个标准的船运杜瓦瓶里，用液氮预冷。
每个Diamond用户都可以通过web浏览器登录ISPyB数据库。“蛋白质晶体学光束信息系统”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，包括关于样品及其在杜瓦中的位置的详细信息。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来收集杜瓦瓶，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)。
块冰球底座块冰球底座和盖子
到达时，杜瓦瓶由货物处理部门的工作人员预订到ISPyB，并由实验大厅协调员(EHCs)收集，作为他们职责的一部分，他们将杜瓦瓶转移到钻石存储系统。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。

自动样品停车

戴蒙德的杜瓦存储系统就像自动停车的样品。它有两层楼高，一次可以容纳大约100个杜瓦瓶。EHCs或货物处理将每个杜瓦扫描到存储系统，并负责在必要时补充液氮冷却剂。虽然一些杜瓦瓶可能只会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”保存数周。
ISPyB数据库有一个叫做“实验类型”的部分，它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波束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守数据收集(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，每个冰球从运输杜瓦瓶转移到光束线上的一个特殊实验杜瓦瓶中。横梁杜瓦可以容纳37个冰球，专为机器人设计。每个冰球都被仔细地扫描到数据库中，以记录它在实验杜瓦中的位置。
此时，用户会收到通知，他们的样本已经加载到用于自动UDC实验的波束线上，或者在预定的远程访问时间，他们从世界上的任何地方连接到波束线上，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，会拍一张照片，然后是实验过程的图像。
对于UDC实验，当样品被放置在实验环境中，在根据用户指定的要求运行实验之前，束线使用x射线自动定位和居中样品。每次衍射实验需要2到3分钟，机器人用15秒左右的时间更换样品。
综合冰球基地与I23样品持有人和综合冰球盖
一旦单个实验完成，Diamond的计算机集群开始处理数据，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本性质的额外数据，Diamond可以为他们做更多的数据处理;有了高质量的数据，这通常可以产生自动结构解决方案，结果可访问。
用户可以通过ISPyB访问原始数据和处理后的数据。原始数据有几gb，除非实验数据稍后发表，否则可能不需要。处理后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。
当实验结束后，波束线工作人员将样品卸载回发货的杜瓦瓶中，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。然而，光束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、氯或钙等元素的反常散射特性。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，并识别这些轻元素的位置。由于这些波长的x射线会被空气强烈吸收，所以实验需要在真空中进行。这使得保持样品的低温并将其转移到光束上更具挑战性。
为了让用户的生活更简单，I23上的光束线工作人员设计了一个样品提交过程，尽可能类似于标准MX的过程，除了可按要求提供的专用样品支架外，只使用商业上可用的设备。
在标准引脚的地方，I23样品夹有一个导热铜引脚和主体，和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是用来代替Unipucks运输的，可以根据要求出借。
I23样品支架与适配器123样品支架
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，样本持有人从康比包中移除，并与它们的适配器分离。然后将样品支架放置到特殊的传输块中，每个传输块中有4个具有优异导热性能和显著热质量的样品。这些操作是在液氮中进行的，以保持样品的低温。然后将四个转移块装载到块冰球上，用于将样品转移到低温转移系统(CTS)。CTS是在内部设计和建造的，它充当了一个装载站、穿梭机和气闸，将液氮样品送入真空室。一旦实验完成，系统将反向运行，将样本返回给用户。
96孔板的晶体被放置在回声声波分配器分配碎片
96孔板的晶体在晶体移位器准备钓鱼晶体与一个环安装在一个别针

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。与较大的化合物相比，它可以更快速、更容易地筛选片段，而且片段筛选已经成为发现早期药物(“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，该设备采用了高度精简的流程，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。在新冠疫情之前，用户将带着他们的样本来到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，用户可以在半自动Shifter显微镜的辅助下，将浸泡过的晶体打捞到针上，然后将它们留在有能力的光束线工作人员手中，然后将它们装载到光束线上。在大流行期间，也由束线工作人员进行浸泡和样品制备。
装入别针并装入Diamond的UniPucks，用于片段筛选的样品不返回给用户——设备被清洗并重复使用。虽然他们的旅程在Diamond结束，但这些样本产生的数据节省了数小时、数月甚至数年的浪费时间。
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，利用样本产生科学。来自所有学术学科和行业的超过14000名研究人员使用Diamond进行实验，并得到约700名工作人员的协助。每段旅程都是独特的，但目的都是一样的:增进我们对我们所生活的世界的了解。

参考文献

在“MX实验样品持有人和冰球”下搜索制造商/供应商
脊椎别针和冰球的商业供应商不止一家，它们都是定义好的标准，参见: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

文章确认

Romona Duman, 123光束的高级支持科学家
Ailsa powell博士，支持XChem碎片筛选设施的工业联络化学家
所有图片由钻石光源提供