冷冻电镜，新冠病毒3D影像问世的背后

文/陈根

2020年2月19日,美国得克萨斯大学奥斯汀分校团队在Science杂志发表研究成果,宣布成功解析新冠病毒S蛋白结构,并重建首个新冠病毒附着并感染人类细胞部分的3D原子尺寸结构图。

基于新冠病毒的基因组序列,研究人员设计并生产了稳定的刺突蛋白样品。并且,利用冷冻电镜(Cryo-EM)技术,在收集并处理了3207张显微照片之后,研究人员以3．5埃的分辨率重构了新冠病毒表面S蛋白三聚体的3D结构。

2021年1月21日,由清华大学生命科学学院李赛实验室和奥地利Nanographics公司、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科学技术大学伊万·维奥拉团队合作的新冠病毒高清科普影像问世。第一次,包括中国科研人员在内的一支国际团队“拍摄”到了新冠病毒的3D影像。

最新3D影像展示了新冠病毒入侵人体细胞的过程:在入侵的那一刻,新冠病毒与受体结合,并与细胞膜发生了膜融合。

研究团队表示,研究发现刺突蛋白具有柔性,可以像链锤一样在病毒表面自由摆动。刺突蛋白摆动的特征会让新冠病毒在攻击细胞时更具灵活性,有利于刺突蛋白同细胞上的ACE2受体结合。

可以说,不论是3D原子尺寸结构图,还是新冠病毒的3D影像,都对人们了解新型冠状病毒意义重大。而值得一提的是,两次研究成果的背后,都离不开冷冻电镜这一技术的使用。

冷冻电镜是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM),可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品,如生物、高分子材料等。事实上,冷冻电镜的使用已经有很长时间,过去的十年,这项技术一跃成为了分析大分子结构的有力工具。

三位冷冻电镜研究先驱——洛桑大学的Jacques Dubochet、哥伦比亚大学的Joachim Frank of Columbia University和MRC分子生物学实验室的Richard Henderson也因此分享了2017年的诺贝尔化学奖。

冷冻电镜可以使科学家们清晰地观察到,小分子是如何结合在蛋白质的活性口袋中的。事实也证明,冷冻电镜是解析SARS-CoV-2的重要工具。

对于用冷冻电镜“拍摄”新冠病毒的3D影像,研究人员表示,这并不是一个可以发表论文的成果,但他们花了如此多时间制作这些新冠病毒影像材料的初衷,就是为了展现病毒真实形象,并免费提供给全世界作为疫情防控宣传和科普教育材料。

这些影像是证明病毒存在的科学论据,也是反击质疑新冠病毒的真实存在的有力武器。