运用电子显微镜及X射线晶体学拍摄利于疫苗研发的病毒艺术照

新型冠状病毒、艾滋病毒或普通流感病毒,在高分辨电子显微镜下都构成了一幅迷人的画面。美国在各种媒体,包括电视、报纸和网络上公布的图像是由戈登·乔伊斯博士等研究人员制作拍摄的,目的是帮助研究人员更好地开发最终将摧毁病毒的疫苗。

几年前,如果研究人员想要一个病毒的可视化图像,他们必须做一种艺术家般的渲染。乔伊斯是亨利·m·杰克逊军事医学发展基金会(Henry M. Jackson Foundation for the Advancement of Military Medicine)的员工,该基金会通过一项合作协议为沃尔特·里德陆军研究所(Walter Reed Army Institute of Research)的新兴传染病研究所(Emerging Infectious Disease Branch)提供研究支持。

“几年前,我们会有这样的漫画或艺术表现形式,”乔伊斯说。“但是现在,随着技术的进步,我们能够真正使用来自细胞的真实图像和病毒的真实图像。”乔伊斯说,在美国疾病控制与预防中心网站上看到的SARS-CoV-2的高分辨率图像部分是艺术化的,但在病毒灰色身体上看到的红色“尖头”是用电子显微镜拍摄的。

运用电子显微镜及X射线晶体学拍摄利于疫苗研发的病毒艺术照

电子显微镜下冠状病毒表现出的超微结构

乔伊斯说,x射线晶体学和电子显微镜是研究人员获取诸如SARS-CoV-2、HIV-1、MERS-CoV、流感或呼吸道合胞体病毒等令人惊叹的病毒图像的两种方法。研究人员使用电子显微镜扫描拍摄了多达一百万张病毒图像。然后,选择其中最好的10万张合成图像。背后基于很多数学计算来调整这些图片,最终获得这些高分辨率图片。

运用电子显微镜及X射线晶体学拍摄利于疫苗研发的病毒艺术照

通过X射线晶体学拍摄合成的呼吸道合胞病毒部分的原子模型

在过去的几年里,技术和处理能力无法完成如此庞大的任务。但如今,计算技术的进步使这成为可能。WRAIR的团队是使用x射线晶体学的专家,利用x射线晶体学来捕获新冠病毒的图像,这就像获得高分辨率卫星图像一样。有了这些信息,就能设计消灭病毒药物或激发人体免疫力的疫苗。实验室的研究人员培育了一种病毒的蛋白质晶体——只是病毒的一部分——然后用液氮冷却这些晶体。这些晶体被送往位于伊利诺斯州拉蒙特的阿贡国家实验室,在那里接受粒子加速器内沿光束射线的轰击。

运用电子显微镜及X射线晶体学拍摄利于疫苗研发的病毒艺术照

x射线结晶学收集的流感血凝素(中央,红色)原子模型

乔伊斯说,通过测量晶体的x射线散射可以确定任何被评估物的原子结构。从衍射模式出发,使用一套数学模型转换回原子细节,找到疫苗设计的关键点,也可为治疗方法和诊断方式提供技术信息。实验室人员可以远程控制光束加载和衍射实验,同步加速器上大约有40种不同的光束,可以选择性使用其中的一种来衍射我们的晶体。

运用电子显微镜及X射线晶体学拍摄利于疫苗研发的病毒艺术照

通过X射线晶体学收集的中东呼吸道病毒攻击与人抗体(右,紫色)结合的人细胞(左,红色)的部分的原子模型

运用x射线晶体学技术不需要像以往那样捕捉那么多的图像,100到400张图像即可,而不是电子显微镜下的10万张,但必须培育出一种非常好蛋白质晶体。这是比较棘手的工作。但一旦得到了高质量的晶体,那么数据收集就会非常快,结构测定也会非常快。

SARS-CoV-2病毒以红色的尖刺显示。病毒图像最初是用黑白图像捕捉的,然后用成像软件上色,以引起人们对病毒最相关部分的注意。研究人员通常选择他们认为最适合说明病毒的颜色。通常研究人员会给病毒涂上引人注目的颜色,比如红色,而倾向于给人类蛋白质涂上更冷的颜色,比如蓝色和绿色。

戈登将发布有史以来分辨率最高的SARS-CoV-2图像之一,但并不是整个病毒的图像。更确切地说,是病毒的一部分——表面那些“刺突”的一部分,是病毒致病的关键点。正是这种刺突穿透人体细胞并导致感染,这种刺突使是研究人员需要获得关键的信息,越详细越好,以便开发出疫苗。同时,将帮助小分子药物研发者在原子水平上理解SARS-CoV-2最重要的部分。在药物设计中移动一个原子或替换一个原子,在药效和活性上将产生巨大的差异。

运用电子显微镜及X射线晶体学拍摄利于疫苗研发的病毒艺术照

新冠病毒受体结合域(攻击人体细胞的部分)的原子模型

研究人员还获得了人类抗体与与新冠病毒结合的图像。这种抗体能够与大约15年前的SARS的早期变种病毒结合。这对新型冠状病毒疫苗的研发来说非常有利。SARS病毒与新冠病毒与人体细胞结合的区域是相同的。研究团队正在在使用这种抗体来评估候选疫苗。病毒的图像可以让每个人看到是什么能让人类患病,照片在新闻上很吸引人,但它们不只是艺术品。它们是想要找到治愈方法的研究人员的工具。高分辨率图像确实至关重要,能为设计疫苗提供原子细节。

运用电子显微镜及X射线晶体学拍摄利于疫苗研发的病毒艺术照

由x射线结晶学采集的寨卡病毒(中,粉红色)与两种人体抗体(左、右,紫色)结合的原子模型

在世界各地的实验室里,研究人员可以利用病毒图像和随附的数据文件,从原子层面获得有关病毒结构的细节,从而为设计疫苗和小分子药物提供帮助。电子显微镜及X射线晶体学图像技术将成为医疗对策研发的关键手段与途径。

本文摘自2020年3月17日美国国防部新闻报道

https://www.defense.gov/Explore/Features/Story/Article/2115411/high-resolution-virus-pictures-help-researchers-develop-vaccines/

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