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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。

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...