“我希望大家能好好看一看。對于新冠病毒進(jìn)化的思考，它確實(shí)給人很多啟迪。”9月19日，在一次學(xué)術(shù)研討會(huì)上，“人民英雄”國家榮譽(yù)稱號獲得者、中國工程院院士張伯禮展示了一張新冠病毒的完整結(jié)構(gòu)圖。

這是一張什么圖？居然能贏得張伯禮院士為它打CALL。不止如此，據(jù)報(bào)道，該研究還得到了中國科學(xué)院院士施一公、中國工程院院士李蘭娟的鼎力支持，并受到美國普林斯頓大學(xué)教授顏寧“不要找借口、3天內(nèi)必須寫完論文”的激將式敦促。

9月20日，科技日報(bào)記者前往清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心研究員李賽研究組，試圖一探究竟。

給整個(gè)病毒做“CT” 從里到外看得清清楚楚

9月15日，《細(xì)胞》在線發(fā)表李賽團(tuán)隊(duì)與李蘭娟院士團(tuán)隊(duì)合作完成的研究論文《新冠病毒的分子結(jié)構(gòu)》，他們通過冷凍電鏡斷層成像技術(shù)，把新冠病毒看了個(gè)清清楚楚。

冷凍電鏡，結(jié)構(gòu)解析，聽到這兩個(gè)關(guān)鍵詞，科技粉兒可能會(huì)覺得：已經(jīng)火了好些年、還能有什么新東西、不就是換個(gè)材料再做一次？

然而，新科技的發(fā)展，總能讓人直呼“知識貧瘠限制了想象！”

“我們把新冠病毒放在冷凍電鏡下，每旋轉(zhuǎn)3°拍攝一張照片，總共拍了41張，隨后進(jìn)行立體重構(gòu)。”李賽告訴科技日報(bào)記者，每旋轉(zhuǎn)一次都必須與上一次保持高度吻合，細(xì)微的橫向偏差都難以實(shí)現(xiàn)高精度。

這種分布拍攝的方法和醫(yī)學(xué)CT成像原理類似，不同的是前者使用電子衍射成像，而后者使用X射線衍射成像。

俗話說“知人知面不知心”。李賽卻堅(jiān)持解析病毒的“心”。團(tuán)隊(duì)在病毒內(nèi)部“打手電”，穿過囊膜，直擊里層的RNA和纏繞結(jié)構(gòu)，展示出迄今為止最完整的新冠病毒形象。

分析100TB數(shù)據(jù) 繪制新冠病毒“大眾臉”

2018年，原本在英國牛津大學(xué)工作的李賽回國到清華大學(xué)工作，組建自己的實(shí)驗(yàn)室。在此之前，李賽見識、解析過更為烈性的4級病毒，也讓多個(gè)3級病毒現(xiàn)出真身，包括令人聞風(fēng)喪膽的沙拉病毒、裂谷熱病毒等。

當(dāng)新冠病毒襲來，李賽坐不住了。他通過施一公聯(lián)系上正在武漢抗疫一線的李蘭娟，希望能夠獲得滅活新冠病毒以供電鏡研究。李蘭娟院士當(dāng)即安排團(tuán)隊(duì)與李賽對接。通過嚴(yán)格的多聚甲醛滅活，新冠病毒雖然“死了”，但還能保持活著的原貌。隨后，滅活病毒經(jīng)過嚴(yán)格程序進(jìn)入清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

輾轉(zhuǎn)獲得病毒毒株后，李賽和團(tuán)隊(duì)的周工作時(shí)長超過120小時(shí)。4月，團(tuán)隊(duì)順利采集了兩批100TB的高質(zhì)量冷凍電鏡斷層圖像數(shù)據(jù)。

千毒千面的病毒，哪些是最核心的特性呢？當(dāng)研究進(jìn)入計(jì)算分析階段，即用子斷層圖像平均法獲得高分辨率結(jié)構(gòu)時(shí)，必須通過對病毒重構(gòu)，將核心特征匯集起來，才能繪制出新冠病毒“大眾臉”。

2300顆病毒的三維構(gòu)像中，哪些刺突蛋白最具代表性？李賽和團(tuán)隊(duì)開始人工挑揀，這是一項(xiàng)極具“匠人”特性的工作，全憑研究人員過往對于其他病毒研究的經(jīng)驗(yàn)積累，5萬個(gè)病毒表面的刺突蛋白被挑選出進(jìn)入下一步的蛋白分析。

經(jīng)過整體和局部的綜合分析，新冠病毒的“狡詐”本質(zhì)顯露無疑——表面刺突蛋白非常少，平均不到30個(gè)，卻可以自由游走、旋轉(zhuǎn)。

“在人類認(rèn)知范圍內(nèi)，首次見識這樣的囊膜病毒。”李賽說，蛋白旋轉(zhuǎn)的特征讓新冠病毒在攻擊細(xì)胞時(shí)，可以自由調(diào)整方位，和受體結(jié)合。“見風(fēng)使舵”的特性讓它極具傳染性。

鎖定骨架蛋白 破解病毒攻擊宿主的策略

遺傳物質(zhì)決定生命體的性狀，冠狀病毒擁有目前已知所有RNA病毒中最長的RNA，其核苷酸達(dá)近3萬個(gè)，是如何做到的？李賽團(tuán)隊(duì)將目光投向收納RNA的骨架蛋白。

“這些領(lǐng)域之前無人研究。”李賽說，在重塑核糖核蛋白復(fù)合物（RNP）時(shí)，沒有任何可能的預(yù)期和參考。他帶著學(xué)生在2萬個(gè)核糖核蛋白中“尋寶”。“大多數(shù)需要我親自挑選，因?yàn)槲覀儗��?nèi)部蛋白的認(rèn)知實(shí)在太少了，而且在病毒體內(nèi)這些蛋白‘像一串葡萄’一樣擁擠在一起，必須高精度區(qū)分，以免誤把其他蛋白的部分圈進(jìn)來。”李賽說。

新冠病毒的囊膜內(nèi)蛋白群日漸清晰，呈現(xiàn)出“巢中蛋”的結(jié)構(gòu)。在新冠病毒的“老巢”，超長RNA致密纏繞，蛋白為RNA提供了超強(qiáng)規(guī)則感的骨架，它們貼著囊膜以六聚體的“鳥巢”方式排列，在球心位置又以正四面體的“金字塔形”排列。就這樣，新冠病毒既可將體長100倍的核酸塞進(jìn)自己體內(nèi)，又能迎接變幻莫測的外部挑戰(zhàn)。

“核蛋白規(guī)則的排列，有助于收納超長RNA；當(dāng)病毒攻擊宿主后，又能夠有序地把RNA釋放出去，不至于有所缺損。”李賽說，它們在攻擊宿主時(shí)能演變成旋轉(zhuǎn)的線軸，高速輸出并侵染新的宿主。

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)全球共享 有助研發(fā)更高效疫苗

對于新冠病毒，人類知之甚少。正因?yàn)槿绱耍瑢W(xué)術(shù)界對相同問題往往有不同的答案。例如，關(guān)于一種被命名為CR3022的中和抗體對新冠病毒的抑制能力，3月，《科學(xué)》雜志發(fā)文認(rèn)為其具有很強(qiáng)的中和能力；但其他團(tuán)隊(duì)之后卻發(fā)現(xiàn)CR3022對活病毒缺乏中和效應(yīng)。

為什么研究結(jié)果會(huì)相互矛盾？原來前者中和試驗(yàn)使用的是體外重組的病毒蛋白，而后者用的是活病毒。

“高精度的新冠病毒完整結(jié)構(gòu)圖顯示它的表面蛋白會(huì)‘變臉’：有時(shí)呈抗原暴露狀態(tài)，有時(shí)呈抗原隱藏狀態(tài)，有時(shí)還會(huì)處于與膜融合的狀態(tài)。體外重組只有模仿出它的‘變臉’才能揭示其作用規(guī)律。”李賽說。

李賽團(tuán)隊(duì)的研究還為之前的研究做了糾偏和補(bǔ)充。例如，今年3月對外公布的第一張新冠病毒的冷凍電鏡照片中，病毒的刺突蛋白幾乎全是針狀的。

“這可能是由于對活病毒的滅活處理破壞了病毒本身的蛋白結(jié)構(gòu)，使其S1亞基脫落，S2亞基發(fā)生了向與膜融合狀態(tài)的構(gòu)象變化。”李賽說。

高精度病毒完整結(jié)構(gòu)圖有助于人類開發(fā)出更高效的疫苗。“現(xiàn)在用的滅活疫苗的滅活方法可能無法給病毒的刺突蛋白留下‘全尸’，這理論上會(huì)影響其激發(fā)中和抗體的有效性。”李賽說，這些都是可以更深入研究的工作。

李賽團(tuán)隊(duì)已將新冠病毒高清三維結(jié)構(gòu)上傳至結(jié)構(gòu)生物學(xué)的數(shù)據(jù)庫EMDB（Electron Microscopy Data Bank），供全球科學(xué)家免費(fèi)下載，助力科普教育、科學(xué)研究、疫苗開發(fā)等工作。