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Industry | 產業 2015 .6月號

「台灣光子源加速器」照亮高階生醫影像未來 世界上亮度最高同步加速器光源

文 / 吳靜芳

2014年底,台灣光子源同步加速器發射出第一道光芒,這座「台灣光子源」將是台灣有史以來,規模最大的跨領域共用研究平台,提供世界上亮度最高的同步加速器光源。光子源在生醫方面,尤其對蛋白質結構及生醫影像領域應用研究舉足輕重,「台灣光子源」的軟X 光相關實驗設施更是亞洲首例,有望使台灣成為光源應用研究基地。

 

周長518公尺的台灣光子源同步加速器(中央大圓形建築物)擁有30億電子伏特(GeV)能量,是台灣光源(上方小圓形建物)的兩倍,能提供超高亮度的光源及實驗設施供全國科技界進行尖端研究。(圖 / NSRRC提供)
 

 

2014年底, 自2010年開始興建、總預算經費達新台幣68.8億元的國家同步輻射研究中心(NSRRC),從周長518公尺的台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS) 同步加速器,成功發射出第一道光芒…。

從空中往下看, 台灣光子源和1993年建成的台灣光源(Taiwan Light Source, TLS) 2個巨大圓圈緊緊相連。TPS 同步加速器研究範圍囊括物理、化學、生醫科技、半導體科技、能源與環境科學及材料科學等,目前第一期規劃的7座實驗站,將在今年底到明年中陸續完成;第二期18座光束線預計於2022年完成。這道比傳統X 光亮1兆倍的光芒將助長台灣科研,使台灣在蛋白質結構及生醫影像等研究大步邁前。

NSRRC 攜手台灣廠商獨立興建
TPS和TLS兩者均屬第三代同步加速器光源設施。但隨著海內外的科研申請增長,TLS不敷研究使用。加上面對國際間激烈的科技競爭,各國在同步加速器的發展均快速成長,台灣現有光源的X光亮度已大幅落後國際先進設施,若未能及時設計建造更先進的光源,勢必讓台灣長期的科技發展失去競爭優勢。

行政院於是致函徵詢了國內近1,000位學者專家,提送第七次全國科學技術會議,並經無數場討論,終於在2007年拍板定案通過「台灣光子源跨領域實驗設施興建計畫」(含其後續40座光束線與實驗站),總預算經費為68.8億元,於2010年動土。

值得一提的是,TPS建造全程大部分由台灣廠商承包。TPS工程難度極高,誤差範圍是一般工程的1/10,加上施工過程又不能影響鄰近的TLS,對台灣廠商更是難上加難,某些部分屢屢重做。因此,TPS順利完工,一大意義是NSRRC透過提供相關技術輔導廠商施作,緊密的產學合作下,國內廠商得以拓展自身技術層次,甚至有廠商因此得到航空工業的輕質鋁核心訂單。

TPS擁有30億電子伏特(GeV)能量,是TLS(1.5GeV)的2倍。在此之前,台灣除TLS外,還有2座日本同步加速器光源SPring8(8GeV)的專屬光束線工作站。TPS的興建完成,也同時代表台灣的光源相關研究將能漸從日本獨立。

蛋白質結構分析從一小時縮短至十分鐘
NSRRC目前在光源相關生醫研究,以蛋白質微結晶學及軟X光應用方面為發展重點。分析蛋白質結構可以幫助了解蛋白質的功能及作用機制,是藥物篩選、研發的關鍵;透過蛋白質結構解析進而修飾藥物,能避免藥物與非標靶的蛋白質結合,提高或改變專一性,減少副作用,並能研究病毒的外部結構,找到可能的結合區域。

一般而言,觀測蛋白質需要解析度小於奈米十倍(10-10,單位「埃」- angstrom) 的顯微鏡才能達到,這也表示僅有波長接近埃的X光才得以偵測、分析。但蛋白質水溶液會減弱X光訊號,因此研究人員得先培養蛋白質,使其規則堆疊排列成為晶體樣本,並以100K(約-173º C)氮氣噴吹樣本,才得以減少X光的傷害。

X光入射後,晶體中的電子會產生繞射作用,根據繞射強度形成繞射點圖譜,研究人員就能蒐集電子密度的資料,了解蛋白形狀及原子排列位置。

NSRRC蛋白質結晶學與結構生物學實驗室研究員陳俊榮表示,過往,以TLS進行藥物資料庫多種條件篩選時,花費時間冗長,蒐集一套數據須費時1小時,而未來TPS光束線及實驗站建成後,有望將時間縮短至10分鐘。

陳俊榮指出,除了藥物對應的蛋白質結構外,較亮的光源也有助於提高大分子結晶的繞射分析,如掌控物質進出的細胞膜蛋白質、病毒及困難生物分子等結晶。但大分子因由多個原子組成,結構複雜,在堆疊形成結晶的過程中容易產生水,不利繞射,「更亮的TPS光源有助於提高解析度,並降低生物樣本製備的難度。」陳俊榮說明。

TLS也配備有製藥研究相關光束線,以產學合作等方式接受生技製藥公司的委託案,分析蛋白質及小分子藥物樣本。未來較高能量的TPS在蛋白質結構方面的光束線也將持續與業界連結,蛋白質微結晶學實驗設施是TPS同步加速器落成後表定的首批光束線工程之一,今年底前就會建成。


>>本文截錄自環球生技月刊2015年6月…

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