上海光源在生命科学和高分子材料中的应用 - 中国物理c.pdf

上海光源在生命科学和高分子材料中的应用 李秀宏 黄 胜 王玉柱 王 劼 何建华 当代生命科学的主要研究目标是分子生物学， 燃性能。与添加传统的常规填料相比，高分子纳米 这是自从 20 世纪 50 年代 DNA 双螺旋结构被发现 复合材料表现出更优异的综合性能，因此在塑料领 开始的。遗传信息由 DNA 通过 RNA 传向蛋白质 域具有巨大的应用潜力。我国的高分子材料研究起 （“中心法则”）这一规律的发现，极大地促进了生 步于 20 世纪 50 年代，通过高分子化学、高分子物 命科学的发展。1990 年，由美国发起了人类基因组 理、高分子成型加工和高分子反应工程等学科和产 计划，这一计划的目标是：测出人体基因组中包含 业部门的合作，已经开发出一批高分子材料及生产 的 30 亿个碱基对的排列顺序；确定 24 对染色体上 技术。但是由于技术水平大多落后于发达国家，竞 的基因分布；绘制一幅分子水平的人体解剖图；把 争力差。在通用塑料的高性能化和高端产品如高性 人体基因的全部遗传信息输入基因库，帮助科学家 能纤维和高性能工程塑料的研究开发等方面远远落 掌握有关碱基对如何组成基因，每个基因的功能， 后于国际发展，也不能满足国防和航空航天等国家 它们如何相互影响以及控制人的生命过程。这个计 战略需求。究其原因关键是缺乏研究合成和成型加 划原本要在 2005 年之前完成，但是随着科技的发 工过程中微观结构和性能变化的有效手段。先进的 展，测序所需要的各种方法及硬件设备不断进步， 研究手段成为制约我国高分子基础研究，自主创新 使得人类基因组计划的完成时间被大大提前。至 和产业升级的瓶颈。 2000 年，人类基因组计划就已经完成。随后，生命 同步辐射在生命科学和高分子材料领域有着广 科学研究进入了后基因组时代。后基因组时代，生 泛的应用。同步辐射装置一般由电子直线加速器、 命科学的研究目标主要就是研究基因的产物——各 增强器、储存环以及光束线站等部分组成，电子经 种蛋白质及其复合物，这些物质是组成生命体并实 直线加速器加速后进入增强器进一步加速，当电子 现各种生命活动的载体，我们需要了解它们的结构 达到预定能量后注入到储存环，在储存环内运动。 及功能来发现生命活动的规律，并依此来进行有目 在储存环内有弯转磁铁及各种插入件，可以产生磁 的的改造及控制生命活动。研究蛋白质的结构及功 场使得电子偏转，这时电子束沿其运动的切线方向 能的一般过程是：首先确定研究目标，第二步通过 就可以对外发出 X 光。光束线站是将弯铁及插入件 基因表达将所要研究的目标蛋白制作出来，第三步 产生的 X 光引出的设备，它包含许多光学元件以及 是通过各种方法确定蛋白质的三维空间结构，最后 进行各种实验所需的设备。同步辐射产生的 X 光波 是通过结构研究蛋白质的功能。蛋白质三维空间结 段宽广，是探测微观物质结构的有力工具。建造一 构是整个研究过程中的重要一步，只有得到了蛋白 座同步辐射装置耗资巨大，但是由于其在基础及应 质的结构，我们才可以去研究蛋白质分子的哪些部 用研究中的重要作用，许多国家都对建设同步辐射 位是实现哪些功能以及如何实现这些功能的。 装置非常热衷。目前世界上的同步辐射装置总数已 高分子材料是现代工业和高新技术的重要基 经达到 69 个，主要分布在美国、欧洲以及日本，仅 石，已成为国民经济基础产业以及国家安全不可或 美国就有 1