3.1.1 科学目标
同步辐射X光一诞生，就成为当前推动蛋白质结构测定快速发展之最重要因素。它提高了蛋白质晶体衍射的分辨率（resolution）和数据质量，降低了对晶体尺寸的要求，加快了衍射数据收集的速度，增强了相位解析的手段。相比于实验室转靶X光机，利用同步辐射光源测定晶体结构，已成为晶体结构测定的重要手段。目前这一趋势还在进一步加强。
由于蛋白质晶体的生长是一个非常复杂和困难的过程，对很多蛋白质，尤其是膜蛋白来说，晶体生长十分困难，因此难以得到有序性好、尺寸较大的晶体。如果能够对微小的晶体进行结构测定，则可以大大提高晶体结构测定的成功率与效率。当前国际上蛋白质晶体学线站发展的一个主要方向就是，实现高亮度、小光斑的光束，以便有效测定晶体尺寸小到5～10μm的蛋白质晶体结构。
蛋白质复合物的结构是阐释相互结合的蛋白质的功能之基础，蛋白质复合物的结构研究已成为结构生物学研究的重要前沿领域之一。其发展目标是要研究越来越复杂的蛋白质复合体系，乃至具有系统功能的分子机器、细胞器，如病毒、核糖体复合物等。由于蛋白质复合物结构复杂，分子量大，生长出的晶体往往具有很大的晶胞尺寸，衍射能力弱，故几乎所有的研究对象均须利用高亮度同步辐射光源，才可能获得具原子分辨率尺度的三维结构信息。所以，研究这类晶体的三维结构，对同步辐射光源提出了更高的要求，即高通量和低发散度（也称发散角）。从目前国际上该领域的发展状况来看，能够测定晶胞尺寸达到300 nm的蛋白质复合物结构，将可较好地满足超大生物分子复合物结构测定的需求。
随着生命科学和生物技术的发展，对蛋白质结构信息的需求越来越强烈。另一方面，随着蛋白质表达与结晶技术的发展，获取蛋白质晶体的效率不断提高，对蛋白质晶体结构测定的效率要求也越来越高。高度自动化的蛋白质晶体衍射数据采集，已成为当前国际先进光源的生物大分子晶体学光束线站之主流趋势。
3.1.2 建设目标
以上海光源的蛋白质晶体结构分析系统为基础，建设蛋白质微晶体结构线站（BL18U1）、蛋白质复合物晶体结构线站（BL19U1）、高通量晶体结构线站（BL17B1），形成每年测定150个以上蛋白质结构的能力。
3.1.2.1 蛋白质微晶体结构线站（BL18U1）
生物大分子晶体单色光衍射实验的最常用波长范围为5～18 keV，这个波长范围覆盖了生物大分子晶体学中常用的重元素的吸收边，如Se（硒）、Br、Zn、Cu、Fe的K吸收边，Hg、Pt（铂）的L吸收边[2]，以及S（硫）反常散射实验的最佳波长。在此选择5～18 keV作为束线的主要工作能区。蛋白质微晶体结构线站在保证入射光高通量的前提下，照射至样品处的光斑尺寸尽量小，以便能够测定外形尺寸小的蛋白质晶体结构。按照目前的设计，聚焦光斑最小尺寸可达到10μm以下。(www.xing528.com)
由于光束的发散角与光斑尺寸是相互关联的，在保持光子通量（photon flux，也称光通量）损失基本不变的情况下，要得到更小的光束发散角，就必须增大聚焦光斑尺寸。在此提出，光束的垂直发散角要求为0.25 mrad，水平发散角要求为0.7 mrad，这应该能够充分满足各类高分辨实验的要求。更小的光束发散角可通过采用狭缝进一步限束的方式来得到，但相应的光子通量也会有所降低。
低发射度第三代光源上的波荡器（undulator）所产生的同步辐射X射线束，具有很高的亮度和非常好的光束准直性。在能量范围能够覆盖的前提下，波荡器已成为当前国际上所有第三代同步辐射装置上的生物大分子晶体学光束线的首选光源。
3.1.2.2 蛋白质复合物晶体结构线站（BL19U1）
随着结构基因组学研究的进展，蛋白质复合物的三维结构解析，成为蛋白质结构生物学研究的发展方向。研究这类晶体的三维结构，往往要求同步辐射光源具有高通量和低发散角。
利用准直性很好的X射线光束进行衍射实验，可以大大减小由于蛋白质晶体的不完整性而引起的衍射点展宽，显著提高衍射实验数据的信噪比，从而大大提高结构测定的分辨率，对于生物大分子复合物的晶体尤其是如此。目前的生物大分子晶体实验数据收集，大多采用单轴（位于水平面内）旋转法。减小光束的发散角，可大大降低蛋白质晶体的镶嵌度（mosaicity）对衍射分辨的影响，这一显著的特点近几年来正越来越得到学术界的充分认识。目前国际上正在建造或设计中的生物大分子晶体学光束线，都把小的光束发散角作为一项重要指标。蛋白质复合物晶体结构线站的主要技术特点是，在保持高通量的前提下，实现光束的高准直性。其主要目标是测定晶胞尺寸达到300 nm的超大分子复合物结构，相应地要求光束发散角至少小于0.2 mrad。在此，以0.1 mrad作为光束线站设计目标。
3.1.2.3 高通量晶体结构线站（BL17B1）
随着结构基因组学研究的进展，生物学家开始对蛋白质结构进行大规模的研究，而随着蛋白质结晶技术的发展，获取蛋白质晶体的效率也逐步提高，所以对光束线机时（beam time）的要求也越来越多，高度自动化已成为国际趋势，也成为此条光束线之主要目标。同时，本条光束线还必须能够实现生物大分子晶体学的主要实验方法——多波长反常散射法。该方法要求光束线的能量分辨率达到10-4，能量调节范围比较大，能够覆盖大部分蛋白质所含重元素的吸收边。由于蛋白质晶体的衍射能力比较弱，要想采集较高分辨率的衍射数据，还须有较高的光子通量。
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