來源:新華國際頭條

新冠疫情肆虐全球,小小的病毒是如何感染全球近億人的?

第一次,包括中國科研人員在內的一支國際團隊“拍攝”到了新冠病毒的3D影像。

在納米尺度的圖像上,平均直徑不到100納米的新冠病毒像一顆奇異的星球,表面分佈着可以自由擺動的刺突蛋白“觸手”。在“星球”內部,超長的核糖核酸(RNA)鏈緻密纏繞在有序排列的核糖核蛋白複合物(RNP)上。

1月21日,這一由清華大學生命科學學院李賽實驗室和奧地利Nanographics公司、沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科學技術大學伊萬·維奧拉團隊合作的新冠病毒高清科普影像問世。

對人類來說,新冠病毒是個“既熟悉又陌生”的存在。它和嚴重急性呼吸綜合徵(SARS)冠狀病毒、中東呼吸綜合徵(MERS)冠狀病毒同屬冠狀病毒大家庭,是過去18年裏第三種導致人類大規模感染的冠狀病毒。

新冠病毒主要通過病毒表面的刺突蛋白spike與人體ACE2受體結合感染人體。刺突蛋白像一把“鑰匙”,細胞上的ACE2受體則像一把“鎖”。鑰匙開了鎖,病毒才能進入細胞。開發新冠疫苗的主要目標也正是阻止鑰匙打開鎖,以防病毒感染細胞。

最新3D影像展示了新冠病毒入侵人體細胞的過程:在入侵的那一刻,新冠病毒與受體結合,並與細胞膜發生了膜融合。

李賽研究團隊23日向記者介紹,研究發現刺突蛋白具有柔性,可以像鏈錘一樣在病毒表面自由擺動。刺突蛋白擺動的特徵會讓新冠病毒在攻擊細胞時更具靈活性,有利於刺突蛋白同細胞上的ACE2受體結合。

視頻形象展現了刺突蛋白與新冠病毒膜切線垂線的夾角,以及刺突蛋白在病毒膜表面擺動的角度範圍。

早在去年9月15日,國際權威學術期刊《細胞》雜誌就在線發表了清華大學生命科學學院李賽實驗室與浙江大學醫學院附屬第一醫院傳染病診治國家重點實驗室李蘭娟院士課題組的合作成果。

他們利用冷凍電鏡斷層成像和子斷層平均重構技術成功解析了新冠病毒的全病毒三維結構。這一研究成果,爲最新的3D病毒科普影像提供了基礎。

在清華大學的實驗室中,滅活新冠病毒被置於冷凍電鏡下,每旋轉3°拍攝一張照片,總共拍攝41張,隨後進行立體重構,就像給病毒做“全身CT檢查”。

團隊還向病毒內部“打手電”,穿過囊膜,清晰地照亮了病毒內部核糖核蛋白複合物的排列結構,展示出迄今爲止最完整的新冠病毒形象。

冷凍透射電鏡是目前結構生物學廣泛使用的科研利器,它以電子爲“光源”穿透病毒樣品,以獲得病毒內部的結構信息。

基於冷凍電鏡斷層成像和子斷層平均重構技術解析的病毒結構,國際研究團隊利用3D渲染技術製作出了精細的新冠病毒3D影像,讓我們得以一窺病毒的內外全貌。不過,需要注意的是,視頻中病毒對比鮮明的顏色並不代表其真實顏色,只是3D渲染的效果。

對新冠病毒結構的解析,也讓疫苗和中和抗體研發更加“有的放矢”。比如,李賽團隊觀察到新冠病毒表面的刺突蛋白分佈隨機,且處於多種狀態。如此複雜的抗原分佈,使得在開發疫苗和中和抗體時,必須考慮刺突蛋白在病毒表面的具體分佈和結構。

李賽告訴記者,此前有機構發佈了一些關於新冠病毒的假想3D模型,但存在大量錯誤,比如刺突蛋白的分佈和病毒整體的比例不對。研究團隊希望能讓病毒形象的每一個細節都尊重病毒的前沿科研發現。

去年8月,看到李賽實驗室提交在生命科學預印本論文平臺bioRxiv的科研成果後,沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科學技術大學的計算機視覺團隊主動聯繫,希望可以共同創作更科學、更真實的新冠病毒科普影像。

雙方一拍即合,利用各自的結構生物學、病毒學特長和圖像處理及編程優勢,經過數月遠程溝通構造了病毒的真實3D影像,並由奧地利Nanographics公司最終制作成視頻。

“這並不是一個可以發表論文的成果,但我們花了如此多時間製作這些新冠病毒影像材料的初衷,就是爲了展現病毒真實形象,並免費提供給全世界作爲疫情防控宣傳和科普教育材料。”李賽說,在一些國家仍有人質疑新冠病毒的真實存在,這些影像將是證明病毒存在的科學論據。

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