科技日报|张伯礼、施一公、李兰娟等齐点赞！新冠病毒“完整结构图”到底有多牛？
◎ 科技日报采访人员 张佳星
“我希望这篇文章大家能好好看一看 。 对于新冠病毒进化的思考,它确实给人很多启迪 。 ”9月19日,在一次学术研讨会上,“人民英雄”国家荣誉称号获得者、中国工程院院士张伯礼展示了一张新冠病毒的完整结构图 。
张伯礼说,这是清华一帮搞结构生物学的年轻人做出的工作,看完让人倒吸凉气,他们把病毒整个亚结构解得非常清楚 。
这是一张什么图?居然能跨界赢得张伯礼院士打CALL 。
不止如此,据报道,该研究得到了中国科学院院士施一公、中国工程院院士李兰娟的鼎力支持,并受到女神级结构生物学者颜宁“不要找借口、3天内必须写完论文”的激将式敦促 。
9月20日,科技日报采访人员迫不及待前往清华大学结构生物学高精尖创新中心研究员李赛研究组一探究竟 。
给整个病毒做“CT”
从里到外展示“最真颜”
9月15日,《细胞》在线发表清华大学李赛团队与李兰娟院士团队研究成果《新冠病毒的分子结构》,通过冷冻电镜断层成像技术,把新冠病毒看了个“底儿掉” 。
冷冻电镜?结构解析?听到这两个关键词,科技粉儿可能会觉得:已经火了好些年、还能有什么新东西、不就是换个材料再做一次……
然而,新科技的发展,总能让人直呼“知识贫瘠限制了想象”!
“我们把新冠病毒放在冷冻电镜下,每旋转3°拍摄一张照片,总共拍41张,随后进行立体重构 。 ”李赛告诉科技日报采访人员,每旋转一次都必须与上一次保持高度吻合,些微的横向偏差都难以实现高精度 。
这种分布拍摄的方法和医学CT成像原理类似,不同的是前者使用电子衍射成像,而后者使用X射线衍射成像 。
俗话说“知人知面不知心” 。 李赛却坚持解析病毒的“心” 。 团队在病毒内部“打手电”,穿过新冠病毒的囊膜,直击里层的RNA和它的缠绕结构,解出世界上独一无二解出病毒内部结构 。
审稿人在评审意见里称赞:这项工作展示了迄今为止我所见过的最完整新冠病毒形象!
3个学术“基石”,成就亚洲唯一
“冷冻电镜不是买来就能进行这项工作的 。 ”李赛说,需要针对断层成像进行“精密校准”,同时辅助结构解析技术,才能将新冠病毒的亚结构高精度呈现出来 。
2018年,经颜宁推荐、施一公引进,原本在牛津大学的李赛回到清华,组建自己的实验室 。
在此之前,李赛见识、解析过更为烈性的4级病毒,也为多个3级病毒拆解结构 。 令人闻风丧胆的沙拉病毒、裂谷热病毒都在李赛面前现出真身 。
当新冠病毒袭来,李赛坐不住了,他明白自己几年来辛苦搭建的平台和团队要在争分夺秒的实战中接受检验 。
李赛通过施一公联系上正在武汉抗疫一线的李兰娟,希望能够获得灭活新冠病毒以供电镜研究 。 李兰娟院士当即安排团队与李赛对接 。
通过严格的多聚甲醛灭活,新冠病毒虽然“死透了”,但还能保持活着的原貌 。 随后,灭活病毒经过严格程序进入清华大学实验室 。
要给新冠病毒拍摄“透视照”,必须具备常年的病毒研究经验、冷冻电镜断层成像技术、亚纳米分辨率结构解析技术 。 这个研究领域在国际上非常前沿,李赛实验室目前是亚洲唯一具备该能力的研究团队 。
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纯化后的灭活新冠病毒冷冻电镜照片 。
100TB数据高强度分析
绘制新冠病毒“大众脸”
跑、奔跑、向前奔跑 。
辗转获得病毒毒株后,这就是李赛和团队的状态,他们的周工作时长超过120小时 。 4月,团队顺利采集了两批高达100TB的高质量冷冻电镜断层图像数据 。
李赛感觉到病毒的狰狞近在咫尺,对科学的求真和为人民找到答案的使命感催促他分秒不停 。
研究进程走到计算分析,即用子断层图像平均法获得高分辨率结构 。 “囊膜病毒与非囊膜病毒的最大不同是,前者千毒千面,后者像模具压制 。 ”李赛说,囊膜病毒对于人类的危害更大 。
千毒千面的病毒,哪些是最核心的特性呢?必须通过对病毒重构,将核心特征凝结起来,最终绘制出新冠病毒“大众脸” 。
2300颗病毒的三维构像中,哪些刺突蛋白是极具代表性的?李赛和团队开始人工挑拣,这是一项极具“匠人”特性的工作,全凭研究人员过往对于其他病毒研究的经验积累,5万个病毒表面的刺突蛋白被挑选出进入下一步的蛋白分析 。
经过整体和局部的综合分析,新冠病毒“狡诈”本质显露无疑——表面刺突蛋白非常少,平均不到30个,却可以自由游走、旋转 。
“在人类认知范围内,首次见识这样的囊膜病毒 。 ”李赛说,蛋白旋转的特征让新冠病毒在攻击细胞时,可以自由调整方位,和受体结合 。 “见风使舵”的特性让它极具传染性 。
稀疏的表面蛋白以及蛋白的3种不同构象也给了病毒“荆棘种子”般的抓力,如果刺突蛋白太密或形态一致,反而会规则地像个球难以附着侵染细胞 。
3路战队同题竞争
只有中国团队把人类认知推进“深核”
没有比较,不知深度 。
6月,颜宁给李赛打电话时,国际上已经有两个团队完成了病毒表面地重构 。 这些工作李赛在4月时已经完成,但他坚持先不发表,继续挺进“深核” 。
遗传物质决定生命体的性状,冠状病毒拥有目前已知所有RNA病毒中最长的RNA,其核苷酸达近3万个,是如何做到的?
李赛团队的目光投向收纳RNA的骨架蛋白 。
“这些是迄今为止无人研究的领域 。 ”李赛说,在重塑核糖核蛋白复合物(RNP)时,没有任何可能的预期和参考 。 一切蛋白的构象全凭现有的基础知识 。 就好比探险却没有寻宝图 。
但凭借缜密地思维和过往的经验,李赛带着学生挑选了2万个核糖核蛋白 。
“大多数需要我亲自挑选,因为我们对内部蛋白的认知实在太少了,而且在病毒体内这些蛋白‘像一串葡萄’一样拥挤在一起,必须高精度区分,以免误把其他蛋白的部分圈进来 。 ”李赛说 。
新冠病毒的囊膜内蛋白群日渐清晰,呈现出“巢中蛋”的结构,由于它们收纳着RNA,就像孕育着病毒邪恶的生命一样,那静谧安稳的姿态与囊膜外刺突蛋白的张牙舞爪大相径庭 。
在新冠病毒的“老巢”,超长RNA致密缠绕,蛋白为RNA提供了超强规则感的骨架,它们贴着囊膜以六聚体的“鸟巢”方式排列,在球心位置又以正四面体的“金字塔型”排列 。 就这样,新冠病毒既解决了将可达自己体长100倍的核酸塞进体内的几何难题,又加固了体魄以面对人体外变幻莫测的挑战 。
人类的建筑大师看到这一幕可能也会禁不住赞叹“鬼斧神工” 。
“核蛋白规则的排列,有助于收纳超长RNA;当病毒攻击宿主后,又能够有序地把RNA释放出去,不至于有所缺损 。 ”李赛说,可以试想它们攻击时演变成旋转的线轴,高速输出侵染新的宿主,攻城略地 。
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只有“洞悉”
才能发现不一样的真相
多位学术大咖断言:对于新冠病毒,人类知之甚少 。
正因为如此,学术界对不同问题有不同的答案 。
例如,一种被命名为CR3022的中和抗体对新冠病毒的抑制能力 。 3月,《科学》杂志发文展示了中和能力很强 。 之后,其他团队却发现CR3022对活病毒缺乏中和效应 。
为什么研究结果会相互矛盾?原来前者中和试验使用的是体外重组的病毒蛋白,而后者用的是或病毒 。
“高精度的新冠病毒完整结构图展示给我们:它的表面蛋白会‘变脸’:有抗原暴露状态,抗原埋藏状态,还有膜融合后态 。 体外重组只有模仿出它的‘变脸’才能揭示真规律 。 ”李赛说 。
李赛的研究还为之前的研究做了纠偏和补充 。 例如,今年3月对外公布的第一张新冠病毒的冷冻电镜照片中,病毒的刺突蛋白几乎全是针状的 。
“这可能是由于对活病毒的灭活处理破坏了病毒本身的蛋白结构,使其 S1亚基脱落,S2亚基发生了向膜融合后态的构象变化 。 ”李赛说 。
高精度病毒完整结构图有助于人类开发出更高效的疫苗 。 “现用灭活疫苗的灭活方法可能无法给病毒的刺突蛋白留下‘全尸’,这理论上会影响其激发中和抗体的有效性 。 ”李赛说,这些都是可以更深入研究的工作 。
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李赛团队已将新冠病毒高清三维结构上传至结构生物学的数据库EMDB(Electron Microscopy Data Bank),供全球免费下载,助力开展科普教育、科学研究、疫苗开发等工作 。
【科技日报|张伯礼、施一公、李兰娟等齐点赞！新冠病毒“完整结构图”到底有多牛？】文中图片由清华大学李赛实验室提供
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