深夜，清華醫(yī)學(xué)科學(xué)樓內(nèi)
四周安靜，只有儀器工作聲偶爾回蕩
清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心PI
生命科學(xué)學(xué)院研究員李賽
正目不轉(zhuǎn)睛地盯著電腦屏幕
他用顫抖的手撥通了實(shí)驗(yàn)室電話
“通知所有人，停下工作，來我辦公室
新冠全病毒結(jié)構(gòu)解出來了
我們也許是世界上第一個(gè)
如此真實(shí)、清晰地看見它的團(tuán)隊(duì)！”
7個(gè)人，100天
這個(gè)平均年齡不到28歲的清華課題組
首次解開了新冠病毒真實(shí)的全病毒三維結(jié)構(gòu)
開創(chuàng)性地“向病毒內(nèi)部打了手電”
將這一“惡魔”進(jìn)行曝光！
“展示了迄今為止最完整新冠病毒形象”
對(duì)人類來說，新冠病毒是個(gè)“既熟悉又陌生”的存在。它和嚴(yán)重急性呼吸綜合征（SARS）冠狀病毒、中東呼吸綜合征（MERS）冠狀病毒同屬冠狀病毒大家庭，是過去18年里第三種導(dǎo)致人類大規(guī)模感染的冠狀病毒。然而，冠狀病毒到底長什么樣，一直是個(gè)未解之謎。
1月21日，由清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李賽實(shí)驗(yàn)室和奧地利Nanographics公司、沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科學(xué)技術(shù)大學(xué)伊萬·維奧拉團(tuán)隊(duì)合作的新冠病毒高清科普影像問世。在納米尺度的圖像上，平均直徑約為100納米的新冠病毒像一顆奇異的星球，表面分布著碩大的、可以自由擺動(dòng)的刺突蛋白“觸手”。在“星球”內(nèi)部，超長的核糖核酸（RNA）鏈致密纏繞在有序排列的核糖核蛋白復(fù)合物（RNP）上。
刺突蛋白像一把“鑰匙”，細(xì)胞上的ACE2受體則像一把“鎖”。最新3D影像展示了新冠病毒入侵人體細(xì)胞之初的瞬間：在接觸細(xì)胞的剎那，新冠病毒與受體結(jié)合，并與細(xì)胞膜發(fā)生了膜融合。李賽表示，此前發(fā)布的新冠病毒假想3D模型存在不少錯(cuò)誤，比如刺突蛋白的數(shù)量、分布、相對(duì)病毒的尺寸比例不對(duì)。而本次病毒形象的每一個(gè)細(xì)節(jié)都基于由李賽團(tuán)隊(duì)解析的全病毒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡最大程度尊重了前沿科研發(fā)現(xiàn)。
在研究中，李賽團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)新冠病毒的刺突蛋白分布隨機(jī)且具有柔性，可以像鏈錘一樣在病毒表面自由擺動(dòng)甚至游走，這在囊膜病毒中還是首次發(fā)現(xiàn)。刺突蛋白擺動(dòng)的特征會(huì)讓新冠病毒在攻擊細(xì)胞時(shí)更具靈活性，有利于刺突蛋白同細(xì)胞上的ACE2受體結(jié)合，這可能是它高傳染性的原因之一。
視頻形象展現(xiàn)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(dòng)的角度范圍。
早在去年，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》雜志就在線發(fā)表了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李賽實(shí)驗(yàn)室與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gòu)技術(shù)成功解析了新冠病毒的全病毒三維結(jié)構(gòu)。
冷凍透射電鏡是目前結(jié)構(gòu)生物學(xué)廣泛使用的科研利器，它以電子為“光源”穿透病毒樣品，以獲得病毒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。在清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中，滅活新冠病毒被置于冷凍電鏡下，每旋轉(zhuǎn)3°拍攝一張照片，總共拍攝41張，隨后進(jìn)行立體重構(gòu)，就像給病毒做“全身CT檢查”。
團(tuán)隊(duì)還向病毒內(nèi)部“打手電”，穿過囊膜，清晰地照亮了病毒內(nèi)部核糖核蛋白復(fù)合物的排列結(jié)構(gòu)，展示出迄今為止最完整的新冠病毒形象。審稿人在評(píng)審意見里稱贊道：“這項(xiàng)工作展示了迄今為止我所見過的最完整新冠病毒形象，這也是使用冷凍電鏡斷層成像方法解析完整顆粒結(jié)構(gòu)的一次絕妙的應(yīng)用。”
這一研究成果，為最新的3D病毒科普影像提供了基礎(chǔ)。
“世界上第一個(gè)解出完整新冠病毒真實(shí)結(jié)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)”
“人們對(duì)自己看不見的東西總是會(huì)掉以輕心，我想只有盡快將新冠病毒真實(shí)、完整、清晰地呈現(xiàn)給世界，讓大家看到它的駭人形象，才會(huì)讓更多人重視起來。我們也想在全球貼出它的通緝照，為世界抗疫打打氣！”談起課題立項(xiàng)的初心時(shí)，李賽這樣說。
前排左起：宋雨桐，李賽，張佳星
后排左起：張哲源，孫楚杰，陳勇，徐家璐
新冠病毒是一種具有高傳染性的囊膜病毒，由于它形態(tài)隨機(jī)，每一顆病毒都獨(dú)一無二，目前只有冷凍電鏡斷層成像技術(shù)才能展現(xiàn)它的真容。李賽是國內(nèi)難得的既熟悉囊膜病毒，又擁有先進(jìn)冷凍電鏡斷層成像技術(shù)的青年科學(xué)家，此前已經(jīng)做過拉沙、裂谷熱等烈性病毒的全病毒結(jié)構(gòu)，挑起這項(xiàng)工作的擔(dān)子他責(zé)無旁貸。
要解析新冠病毒完整結(jié)構(gòu)，必須有真正的病毒樣品，但要獲得這個(gè)材料絕非易事。當(dāng)時(shí)正是國內(nèi)疫情最嚴(yán)重的時(shí)候，政府與研究者的絕大部分精力都放在防控疫情和救治病人上，能提供病毒樣品的地方并不多。2020年1月底，他聯(lián)系了幾個(gè)可能提供滅活病毒的機(jī)構(gòu)，均未獲得回應(yīng)。
沒有病毒，就沒有結(jié)構(gòu)可解。看到疫情在湖北家鄉(xiāng)持續(xù)擴(kuò)散，李賽異常焦急。這時(shí)，他想到了求助施一公院士。令他意外的是，從他撥通施一公院士的電話開始，接下來的事情進(jìn)展迅速：施院士非常認(rèn)同李賽的課題想法，立刻聯(lián)系了李蘭娟院士。當(dāng)時(shí)，李院士正帶隊(duì)在武漢一線抗疫，了解情況后，她也認(rèn)為課題意義重大，并第一時(shí)間安排她在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的P3實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人姚航平研究員接下這項(xiàng)工作，當(dāng)晚，姚航平就進(jìn)入了浙江大學(xué)的P3實(shí)驗(yàn)室，為這個(gè)重大合作課題進(jìn)行病毒樣本的篩選和制備。
當(dāng)時(shí)，李蘭娟院士團(tuán)隊(duì)擁有多株病毒株。在傾聽了李賽對(duì)病毒樣品的詳細(xì)要求后，專門針對(duì)電鏡研究進(jìn)行了病毒篩選。最終，來自浙江一位年輕患者的病毒樣本入選。緊接著，李院士團(tuán)隊(duì)得知李賽團(tuán)隊(duì)的冷凍電鏡實(shí)驗(yàn)需要將樣品濃縮1000至2000倍，于是專門成立了一個(gè)擴(kuò)增病毒小組，并將病毒進(jìn)行嚴(yán)格的滅活處理及失活驗(yàn)證。面對(duì)如此大量的病毒樣品，且要保證滅活后的絕對(duì)安全，對(duì)他們而言也是極大的挑戰(zhàn)。為了保證不出現(xiàn)意外狀況，該團(tuán)隊(duì)所有人員在這項(xiàng)工作后兩個(gè)星期內(nèi)不能離開研究所，吃住都在研究所里，直到所有人都無癥狀出現(xiàn)后才回歸正常生活。
經(jīng)過層層審批手續(xù)，在浙江制備的滅活病毒樣品按照國家相關(guān)規(guī)定被安全送抵北京。樣品進(jìn)京后，首先進(jìn)入了中國食品藥品檢定研究院，在這里，滅活病毒還必須經(jīng)過備案和檢測(cè)。此時(shí)，李賽則在清華的P2實(shí)驗(yàn)室做接收滅活病毒樣品的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。
李賽說：“當(dāng)時(shí)中國正處于談毒色變的特殊時(shí)期，而這批樣品雖經(jīng)嚴(yán)格滅活，但要運(yùn)進(jìn)清華，還是非常慎重的，萬一出現(xiàn)了安全問題，后果不堪設(shè)想。”在病毒進(jìn)清華前，他擬定了一套非常詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和安全守則并提交給清華大學(xué)生物安全委員會(huì)，事無巨細(xì)地介紹了項(xiàng)目計(jì)劃，擬訂了病毒運(yùn)輸、保存、樣品提純、冷凍制樣、實(shí)驗(yàn)記錄備案、實(shí)驗(yàn)過程攝像等詳細(xì)方案；并列出如果出現(xiàn)樣品暴露事故應(yīng)采取的應(yīng)急措施。“當(dāng)時(shí)我和學(xué)校都是抱著‘安全第一，科研成果第二’的想法來做準(zhǔn)備的。”李賽如此形容當(dāng)時(shí)自己的心態(tài)。
李賽團(tuán)隊(duì)照片
攻堅(jiān)初期的一天晚上，李賽走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，發(fā)現(xiàn)宋雨桐正躲在實(shí)驗(yàn)室的黑暗角落里小聲抽泣。“怎么啦，哭什么？”他急忙問。
“老師，我把提純完的一小滴透明液體，送到冷凍電鏡下，拍完照看到滿屏幕密密麻麻的病毒，直冒冷汗呀！”23歲的宋雨桐是清華大學(xué)生命學(xué)院的研究生二年級(jí)學(xué)生，這是她第一次真實(shí)地看到高傳染型病毒的樣子，雖然病毒已經(jīng)嚴(yán)格滅活，但一小滴液體中卻有濃度如此之高的病毒，讓她受到了極大的觸動(dòng)，加上連日的高強(qiáng)度工作，她的情緒一時(shí)無法控制。
經(jīng)多聚甲醛滅活后的新冠病毒冷凍電鏡圖片
如果不是新冠疫情，宋雨桐在研究生階段原本不太可能接觸如此烈性的病毒，更不具備攻關(guān)重大緊急課題的經(jīng)驗(yàn)，但疫情的爆發(fā)，促使她必須迅速成長、獨(dú)當(dāng)一面。
李賽團(tuán)隊(duì)的學(xué)生大多和宋雨桐一樣年輕且沒有太多重大課題的研究經(jīng)驗(yàn)，但就是這樣一個(gè)平均年齡不到28歲的課題組，7個(gè)人，100天，和浙江大學(xué)李蘭娟院士團(tuán)隊(duì)合作，最終打了漂亮的一仗：成為世界上第一個(gè)解出完整新冠病毒真實(shí)結(jié)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)。
在成果被《細(xì)胞》雜志正式接收后，李蘭娟院士打來電話祝賀李賽及他的團(tuán)隊(duì)，她說：“你們辛苦了，對(duì)人類認(rèn)識(shí)傳染病病原作出了新貢獻(xiàn)！”是的，盡管人們總是會(huì)面對(duì)無數(shù)的未知，未知也時(shí)常讓人恐懼，但正是有無數(shù)的科學(xué)家在自己的崗位堅(jiān)守職責(zé)，才將未知變?yōu)橐阎屓祟惿僖恍?zāi)難和困苦。
創(chuàng)作更科學(xué)真實(shí)的新冠病毒科普影像
2020年8月，看到李賽實(shí)驗(yàn)室提交在生命科學(xué)預(yù)印本論文平臺(tái)bioRxiv的科研成果后，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科學(xué)技術(shù)大學(xué)的計(jì)算機(jī)視覺團(tuán)隊(duì)主動(dòng)聯(lián)系，希望可以共同創(chuàng)作更科學(xué)、更真實(shí)的新冠病毒科普影像。
雙方一拍即合，利用各自的結(jié)構(gòu)生物學(xué)、病毒學(xué)特長和計(jì)算機(jī)視覺的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過數(shù)月遠(yuǎn)程溝通構(gòu)造了病毒的真實(shí)3D影像，并由奧地利Nanographics公司最終制作成視頻。
基于冷凍電鏡斷層成像和子斷層平均重構(gòu)技術(shù)解析的病毒結(jié)構(gòu)，這份3D渲染技術(shù)制作出的精細(xì)影像，讓我們得以一窺病毒的內(nèi)外全貌。不過，需要注意的是，視頻中病毒對(duì)比鮮明的顏色并不代表其真實(shí)顏色，只是3D渲染的效果。
滅活新冠病毒全病毒三維精細(xì)結(jié)構(gòu)
對(duì)新冠病毒結(jié)構(gòu)的解析，也讓疫苗和中和抗體研發(fā)更加“有的放矢”。比如，李賽團(tuán)隊(duì)觀察到新冠病毒表面的刺突蛋白分布隨機(jī)，且處于多種狀態(tài)。如此復(fù)雜的抗原分布，使得在開發(fā)疫苗和中和抗體時(shí)，必須考慮刺突蛋白在病毒表面的具體分布和結(jié)構(gòu)。
“這并不是一個(gè)可以發(fā)表論文的成果，但我們花了如此多時(shí)間制作這些新冠病毒影像材料的初衷，就是為了展現(xiàn)病毒真實(shí)形象，并免費(fèi)提供給全世界作為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(zhì)疑新冠病毒的真實(shí)存在，這些影像將是證明病毒存在的科學(xué)論據(jù)。
原文鏈接
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31159-4
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018
素材整合：郭斯文 龔昕冉
視頻剪輯：申璐
編輯：郭斯文 龔昕冉 趙姝婧 邱收 周襄楠
部分圖文綜合自新華社
素材提供：清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心
