当前位置:首页 > 新闻中心 > 新闻详情

生物设计研究所在研究工作中宣布了新的中心–最先进的X射线实验室

编者按:本文收录于2020秋季杰出毕业生系列
2021 / 01 / 31

亚利桑那州立大学(ASU)生物设计研究所正在大力拓展其科学项目,宣布成立了两个新的中心和一个新的实验室,以推进微生物学、绿色化学和先驱型紧凑型X射线科学领域的探索。

随着新成员的加入,该研究所将致力于研究如何治愈人类健康,保护环境,改善日常生活等问题,继续积极探索令人兴奋的新领域,以促进对不同领域的基本科学理解。

这两个新的中心分别是由Rosa Krajmalnik-Brown领导的关于通过微生物组促进健康的生物设计中心,以及由Timothy Long领导的关于可持续高分子材料和制造生物设计中心。

“今天,科学越来越多地被应用于帮助社会应对面临的严峻挑战。我们欢迎这三位在该领域做出杰出贡献的科学家来到生物设计研究所。他们的研究将进一步推动该研究所的发展,推进了生物设计学院旨在专门培养的跨学科研究。生物设计研究中心的总数将达到17,这显著增强了我们研究的协同性。”生物设计研究所执行主任Joshua LaBaer说。

内部微生物宇宙

人类的身体充满了非人类的生物形态——这是由细菌、病毒、真菌和其他科学家们才刚刚开始探索的微生物组成的庞大生态系统。总的来说,它们被称为微生物群,它们在健康和疾病中发挥的惊人作用终于渐渐浮出水面。

在Krajmalnik-Brown的领导下,生物设计项目的新微生物健康生物设计中心不仅将推进对微生物群微妙活动的开拓性研究,而且还将进一步研究潜在的基于微生物的疾病治疗方法,包括肥胖、Ⅱ型糖尿病、药物代谢改变、自闭症、抑郁症、严重感染、肠易激综合症、结肠癌以及一系列其他疾病。

该中心将通过对肠道微生物群的监测和调节来探索微生物的生物标志物,这些标志物可以查明疾病并指导适当的治疗,并且促进改善健康。该中心将深入研究新的研究领域,同时推进Krajmalnik-Brown正在进行的关于肥胖和自闭症的微生物诊断和治疗的研究,该研究之前是在生物设计学院的Swette环境生物技术中心进行的,她在那里担任了13年的教员。

最近的开创性研究揭示了肠道和人类大脑之间复杂的微生物关联,这对包括阿尔茨海默氏症和帕金森氏症在内的神经退行性疾病的管理有着重要意义——新中心也将继续探索这些主题。

除了在生物设计学院任职外,Krajmalnik-Brown还担任了可持续工程和建筑环境学院的教授。

“我真的很兴奋能够领导微生物群落促进健康的生物设计中心。我们体内的微生物基因比人类细胞的基因多100倍。获取这些微生物的代谢活动和愈合能力的可能性是巨大的。这是一个快速发展的领域,还有很多的东西是目前未知的。有很大的机会去改善健康并帮助人类。”Krajmalnik-Brown说。

Krajmalnik-Brown目前正与Ira A.Fulton工程学院的同事James Adams一起,通过微生物移植疗法,致力于管理自闭症和胃肠道症状的临床研究。另一个活跃的项目涉及探索微生物群对能量平衡和人体新陈代谢的作用。她还为成立自闭症诊断有限责任公司(Autism Diagnostics, LLC)做出了贡献,这是一家商业公司,专注于根据观察到的患者进行代谢状况开发的自闭症诊断测试。

该中心在利用微生物生态学的现有优势的同时,计划招募具有广泛相关专业知识的新教师,包括营养学、生物信息学、工程和生物化学,并吸引了很多行业和临床合作伙伴。

另一个绿色世界

每年,大约有6000亿磅的塑料被生产出来,其中只有一小部分被回收利用。虽然这些材料给社会带来了许多好处,但随着时间的推移,它们在环境中积累,造成了空气、土壤和水的大面积污染。这个问题已经发展成为人类面临的最大的生态挑战之一。

可持续高分子材料与制造生物设计中心承诺将成为全世界前十同类型的中心之一,致力于通过开发绿色材料和探索环境可持续替代品,为全世界塑料困扰的问题提供可持续解决方案,以及探索基于分子制造方法的环境可持续替代品。

石油基聚合物的形式几乎无穷无尽,从用于服装的合成纤维到乳胶漆、环氧胶、聚四氟乙烯炊具和聚氨酯心血管装置,无所不在。除了寻找更加可持续的通用聚合物替代品,该中心的研究还有望推进生物医学设备、可生物降解聚合物、绿色合成方法,并率先使用可持续原料。

该中心将专注于绿色化学原理,使用的技术包括点击化学实现高效功能化、无溶剂聚合工艺、可降解聚合物的设计、添加剂制造和聚合物生产可持续前体的开发。

将研究材料科学的进展,包括刺激响应性聚合物,粘合剂和弹性体使用嵌段共聚物技术,高性能工程聚合物,控制聚合和生物材料,目的是改善健康和能源生产储存。

“该中心将需要前所未有的跨学科合作强度,要求分子科学家和工程师在化学、生物、健康科学等不同工程领域的融合中使用多种不同的技术语言。”将领导新项目的Timothy Long说,“我们的中心将成为产业伙伴关系和企业家精神的核心,从而确保分子到制造的模式,这样既能教育未来的劳动力,也能创新新的技术。我们必须保持对可持续发展的热情。”

Tim Long是可持续高分子材料和制造业生物设计中心的负责人。

在他被任命之前,Long曾在弗吉尼亚理工大学担任化学教授和大分子创新研究所主任。新中心将继续研究用于先进制造的新型聚合物材料,仿生热塑性塑料和粘合剂技术,具有生物降解的生物衍生聚合物,利用新型3D打印技术减少浪费,获取前所未有的几何形状的打印对象。他获得了许多奖项,并且长期获得2019年弗吉尼亚杰出教师奖,也在2016年被授予美国科学促进会研究员。

他已发表了320多篇同行评议的论文,并根据自己的研究成果获得了60多项专利。他还致力于教导和激励新一代的年轻研究人员,致力于在聚合物科学最新进展的基础上开创可持续的解决方案。

Long致力于综合研究和教学,赢得了无数奖项,包括2019年弗吉尼亚杰出教师奖、2018年美国化学学会橡胶分部的热塑性弹性体奖和2010年弗吉尼亚理工大学杰出研究奖。2018年,他被任命为《聚合物国际》的总编辑,并担任Adhesion Society主席。

闪光

自从德国物理学家Wilhelm Conrad Rentgen制作了第一幅X射线图像——一张幽灵般手掌骨骼图片以来,X射线辐射对科学产生了巨大的影响。

虽然穿透软组织和显示骨骼的能力可能是它们最著名的特性,但X射线束在其他许多应用中也同样具有变革性——特别是从人类DNA的首次发现到现代化学、材料科学和药物开发,X射线晶体学的方法对理解原子的结构至关重要。

然而,传统的晶体学只能拍摄静态图像。相反,对微观世界的全面洞察需要借助动力学,认识到生物分子功能背后的许多关键过程都发生在难以想象的飞秒范围内——飞秒只相当于一秒的十亿分之一。

这激发了最近x射线自由电子激光器(XFELs)的发展,以产生超短的x射线脉冲。到目前为止,世界上只有为数不多的XFELs,包括能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源,设计它们需要数英里长的电子加速器和达数十亿美元的高昂价格。

ASU的生物设计研究所承担了开发新一代紧凑型加速器X射线源的开创性任务,目标是更小占地面积的实验室规模,这样能大大降低成本,提高科学家的访问水平。

这些CXFEL实验室位于Biodesign新建的C栋大楼中,由Bill Graves设计的两个仪器组成。Bill Graves是ASU教员,也是加速器物理学家。第一个光源被称为紧凑型X射线光源(CXLS),目前已经接近完成,它将产生用于时间分辨晶体学的飞秒X射线。与此同时设计的第二阶段机器预计可以产生类似激光的全波相干性和持续时间小于飞秒的x射线。

Robert Kaindl被任命为CXFEL实验室的负责人。在加入ASU之前,他是劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的首席研究员。作为量子材料和超快科学领域的领先专家,Kaindl致力于探索如何在最短时间完成尺度上的凝聚态现象,包括超导体和纳米材料的研究。他的研究涉及到激光技术的发展和应用,包括从亚毫米波太赫兹辐射到X射线领域。

“这是令人兴奋的时刻。ASU紧凑型超快X射线源的开发将使该大学成为这一前沿领域的全球领导者。通过观察物质在时间和空间中的最小维度,我们可以接触到自然界中一些最重要的过程,我们会意识到物理、化学和生物学都在这些尺度上汇聚。对于一所大学来说,这样的校园能力是前所未有的。它将吸引到许多国家和国际合作,同时帮助培养新一代学生。”Kaindl说。

Robert Kaindl负责Beus CXFEL实验室的生物设计。

Kaindl于2000年获得德国柏林洪堡大学物理学博士学位,最近当选了美国物理学会2019年研究员。作为ASU物理系的教授,他在生物设计研究所将利用桌面时间分辨光谱和超快探针,利用CXFEL的强x射线脉冲在量子材料中研究电子和晶格结构动力学,这是研究光驱动材料现象的新前沿。

在对CXFEL实验室机器的核心生物科学应用中,由Petra Fromme的团队和应用结构发现生物设计中心的同事进行静态和时间分辨晶体学研究。最终,这将使科学家能够制作出反应生物分子的电影,例如使药物与细胞表面受体结合的视觉化。美国国家科学基金会的BioXFEL科学技术中心是一个由ASU的John Spence领导的多机构联盟,致力于研究如何将x射线自由电子激光应用于结构生物学。

获取资料

关闭