新冠病毒3D高清結(jié)構(gòu)照曝光，中沙奧三國團隊參與，獲2021 Nature開年最佳科技圖

時間：2023-09-24 16:54:02 | 來源：網(wǎng)站運營

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新冠病毒3D高清結(jié)構(gòu)照曝光，中沙奧三國團隊參與，獲2021 Nature開年最佳科技圖片｜專訪：“我從來沒見過長得‘這么好’的病毒！”

圖 | 新冠病毒 3D 藝術(shù)照，病毒和細胞顏色為人為渲染，并非真實色彩（來源：李賽）

新冠病毒 3D 照片誕生時，清華生命科學學院研究員李賽發(fā)出如上感慨。制作該照片耗時一百多天，并成為 Nature 2021 開年最佳科技圖片，其實驗室也成為全球首個解出完整新冠病毒真實結(jié)構(gòu)的科研團隊。

如圖，新冠病毒平均直徑不到 100nm，外部全是刺突蛋白 “觸手”，內(nèi)部有序排列著核糖核蛋白復合物（RNP），復合物上纏繞著核糖核酸鏈。

“工作在 100 天完成，投稿 45 天后上線，（這）不是運氣?！崩钯愓f。

期間他們還得到了施一公、李蘭娟和顏寧等人的幫助。

通過施一公聯(lián)系李蘭娟獲得毒株

2020 年 1 月 23 日，杭州封城。出于職業(yè)敏感，李賽立馬決定研究該病毒，但是清華沒有培養(yǎng)該病毒的 P3 實驗室。

圖 | 李賽（來源：清華官網(wǎng)）

而這類國際熱點課題，非常講究首發(fā)性。在聯(lián)系多個實驗室未果后，他決定求助中科院院士施一公。

施一公說：“你去了解一下誰有新冠肺炎病毒?！?br>
很快李賽查到了 “李蘭娟院士實驗室成功分離出多株新冠病毒” 的新聞，他回復施一公說：“李蘭娟院士實驗室有?！?br>
施一公答復：“好，我爭取今晚就把李蘭娟的聯(lián)系方式要到給你?！?br>
當時正在杭州抗疫的浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國家重點實驗室李蘭娟院士，立馬聯(lián)系浙大附屬一院姚航平研究員。當晚，姚航平已在該醫(yī)院 P3 實驗室著手培養(yǎng)病毒樣本。

李賽團隊的博士后陳勇告訴 DeepTech，該樣本取自一位 20 多歲女性新冠患者的痰液，她在杭州某公司開會時，被從杭州來的同事感染，癥狀嚴重后曾到浙大附屬一院就診。

從痰液中提取的環(huán)境樣本，要成為可做冷凍電鏡實驗的樣品，需要濃縮 1000-2000 倍，且得提供大量的病毒培養(yǎng)液，李蘭娟為此專門成立擴增病毒小組，對病毒進行嚴格滅活和反復驗證。最終，該團隊篩選出一個產(chǎn)率較高的毒株。出于安全起見，李蘭娟團隊成員結(jié)束工作后，連續(xù)兩周隔離在單位，直到全部均無癥狀后才回家。

在符合生物樣品運輸要求基礎(chǔ)上，病毒樣品從杭州一路北上進京。到京后，先到中國食品藥品檢定研究院、并獲得相關(guān)文件審批后，該樣品終于來到清華 P2 實驗室。

“被電鏡下密密麻麻的病毒嚇哭過”

課題立項在春節(jié)期間，學生宋雨桐接到李賽電話后，“一點也沒猶豫，決定立即從家里返?！薄?br>
大年初一當天，“穿著雨衣、戴著兩層手套” 的她從杭州老家、趕在封校之前返校，到了才知道要研究新冠，后來 “還被電鏡下密密麻麻的病毒嚇哭過”。

圖 | 計算機構(gòu)建出的 SARS-CoV-2 圖像

一開始，團隊中只有李賽和宋雨桐。后來，科研助理張佳星也到位，并開始做接洽手續(xù)等鋪墊工作。2 月 13 日，陳勇經(jīng)過學校審批回京，并居家隔離 14 天后入校。為全身心做好工作，他讓妻子和不到一歲的孩子回東北娘家。但這時，團隊也僅有 4 人。

為讓研究及時開展，施一公和清華大學生命科學學院院長王宏偉，給李賽調(diào)撥了冷凍電鏡的額外機時，并允許他們 “插隊” 使用。出于生物安全需要，清華冷凍電鏡平臺特意把冷凍制樣設備 CP3 搬到李賽團隊的 P2 實驗室。

事后李賽感慨說：“我后來才知道這是一個多么不尋常的決定?！薄拔乙粋€剛?cè)肼殯]多久的新人，做了很多很‘破格’的事情，感謝學校和學院的大力支持。”

研究后期要用 GPU 處理大量圖片，大約有 300 套數(shù)據(jù)，每套有 41 張照片，每張圖有 8 幀、大小約為 70M，當時他們的運算能力已經(jīng)飽和。經(jīng)李賽求助后，英偉達無償借給他們兩臺 DGX-1 服務器。

全球首次解析新冠全病毒分子結(jié)構(gòu)

具體研究中，他們先是在 P2 實驗室對滅活病毒進行提純濃縮并制樣，然后通過冷凍電鏡斷層成像技術(shù)（cryo-ET）進行數(shù)據(jù)采集，并在 100TB 的數(shù)據(jù)里篩選出 2294 顆病毒顆粒，這是目前已知最大的新冠病毒 cryo-ET 數(shù)據(jù)集。

5 月，他們重構(gòu)出新冠病毒 3D 結(jié)構(gòu)，病毒囊膜的腔體平均直徑約 80 納米，病毒表面約有 30 個刺突蛋白，其分辨率可達 7.8-11?，這些刺突蛋白隨機分布，并能在病毒表面自由旋轉(zhuǎn)和游走，而這也是新冠病毒獨一無二的特征。

正因此，在攻擊細胞時，它能隨意調(diào)整方位、并和受體結(jié)合，這可能是其高傳染性的原因之一。

在解析刺突蛋白結(jié)構(gòu)后，他們當時就可投稿給期刊，但李賽打算做出病毒內(nèi)部結(jié)構(gòu)后再說。他表示：“表面的刺突蛋白其實不難看清，但我想要看完整病毒的結(jié)構(gòu)，只看到外面不算完整，也體現(xiàn)不出‘透射電鏡’的‘透射’”。

緊接著，團隊中的徐家璐獲批返校，病毒外殼得以扒開，就像用手電筒照明一樣，他們把光照進病毒內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)病毒內(nèi)部約有 30 個 RNP，這些 RNP 在病毒內(nèi)部規(guī)則排列著，一種排列方式是以六聚體 “鳥巢” 狀貼著囊膜排列，另一種是以正四面體 “金字塔” 狀排列在病毒球心位置。

圖 | 核糖核蛋白復合物

新冠傳播，是通過刺突蛋白結(jié)合人體血管緊張素轉(zhuǎn)換酶 2（ACE2）受體的方式，他們猜測新冠的高傳染性可能跟 RNP 排列方式有關(guān)，理由是該排列方式可讓病毒得到加固。因此，在感染者打噴嚏釋出病毒后，病毒也能 “抗住” 不同環(huán)境，并尋覓下一個宿主。

為此，他們專門做了病毒韌性測試，先在液氮中放入滅活病毒做急速冷凍，再把它放在溫水中。經(jīng)過反復凍融后，病毒 “幾乎完好如初”。

研究半途中，科研助理張哲源入職，通信工程專業(yè)出身的他，就數(shù)據(jù)處理寫了些腳本，期間很多細節(jié)還得手動調(diào)整。此外，宋雨桐負責病毒純化、制樣、數(shù)據(jù)采集與處理。她把刺突蛋白樣品拿到校內(nèi)質(zhì)譜平臺做糖基化分析，最后和張哲源根據(jù)結(jié)果繪制出相應的數(shù)據(jù)圖。當時，團隊中的孫楚杰在浙江無法返校，只能線上參與研究，因此他主要負責統(tǒng)計分析工作。

圖 | 李賽和團隊，最終共計 7 人，平均年齡不到 28 歲，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（來源：李賽）

6 月，電腦屏幕上放出結(jié)果，李賽很激動，他給團隊打電話：“通知所有人，停下所有的工作，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如此真實、清晰地看見它的團隊！”

圖 | 真實的新冠病毒全病毒內(nèi)外結(jié)構(gòu)圖（來源：李賽）

顏寧 “激將”，三天完成論文并向 Cell 投稿

但在這時，李賽所在學院院長王宏偉開始敦促他，遠在美國的顏寧也給他打電話：“李賽，你競爭者的文章都上線了，你的文章到底什么時候能上線？不要找借口，如果你三天之內(nèi)不把文章寫出來，你這篇文章就被徹底 Scoop 了?！?br>
當時，兩支國際團隊已在預印本網(wǎng)站上發(fā)表了新冠病毒表面刺突蛋白結(jié)構(gòu)的成果，研究結(jié)論和李賽的也一模一樣。但他并不擔心 “相似”，他說：“一模一樣不怕，這說明我們的研究方法和同行保持了同步水平，我們就可以更堅定地走下去了?！?br>
但同行成果已經(jīng)發(fā)布，李賽只得咖啡一杯接一杯，三天內(nèi)就完成初稿，寫完整個人瘦了四斤。寫好初稿后的當晚九點，他發(fā)給施一公審閱，第二天早上八點，他收到了對方改動近 30%、且?guī)в袠俗⒓毠?jié)的修改版。

李賽說：“真的和博士生導師改畢業(yè)論文一樣細，我感動極了?！薄拔耶敃r很驚訝，施一公老師說他立即停下手里其他工作，第一時間看這篇內(nèi)容。因為我知道，施老師其實非常忙...... 而且他可能一晚沒怎么睡?！?br>
最終，在顏寧打電話催促的第七天后，他們給 bioRxiv 預印平臺投稿，并在三天后向 Cell 投稿。一位審稿人告訴李賽團隊，這是他目前見到的最完整的新冠病毒結(jié)構(gòu)，并認為這是 cryo-ET 技術(shù)在解析囊膜病毒方面的完美呈現(xiàn)。法國科學院院士、著名結(jié)構(gòu)病毒學家 Felix Rey 教授寫信表示：“這是一個里程碑式的工作”。

同時，也有審稿人給出建議，為此他們又把論文的討論部分修改得更飽滿。9 月 15 日，論文以 “新冠病毒的全分子結(jié)構(gòu)”（Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus）為題，在 Cell 正式發(fā)表。李蘭娟打電話祝賀他們并表示：“你們辛苦了，對人類認識傳染病病原做出了新貢獻！”

圖 | 李賽團隊的論文（來源：Cell）

文章發(fā)表時，正趕上李賽生日，團隊特意送給他一個 “新冠病毒造型” 蛋糕，看到后他哭了：“打開蛋糕盒子的剎那，我沒能忍住淚水。那一刻我意識到，一位高校教師最大的滿足，不是發(fā)了好文章，不是拿到人才稱號、科研經(jīng)費，而是自己視如兒女的學生終于成長。”

他向 DeepTech 回憶稱：“如果說這個項目是一個有 100 道選擇題答卷的話，我們這次一口氣答對了所有的題目，幾乎沒有走任何彎路，才（能）有這樣的速度。而這樣的全對，源自過去近十年科研的積淀。”

論文發(fā)表后，奧地利 Nanographics 公司和沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科學技術(shù)大學伊萬?維奧拉團隊找到李賽，表示想給他們的成果制作高清科普影像，于是便有了文章開始的紫色照片。

事實上，英國和德國均有團隊在做同一研究，談及該團隊研究的獨特之處，陳勇告訴 DeepTech：

其一，他們統(tǒng)計的病毒數(shù)量、以及采集的數(shù)據(jù)量都是目前最大的，此前人們拿到的病毒照片或模型多是計算模擬的，刺突蛋白分布的比例往往失真，而本次研究依靠真實病毒數(shù)據(jù)，做出來的 3D 模型也最準確；

其二，英德團隊只是聚焦在外面的刺突蛋白，而他們做了內(nèi)部核糖核蛋白復合物的工作；

其三，該團隊還分析了病毒原樣品表面刺突蛋白糖的情況。此外，中英德三個獨立小組做出的結(jié)果互相印證，這也體現(xiàn)出真理的唯一性。

此外，本次工作還獲悉了新冠病毒的缺點，即其表面刺突蛋白柔性較大，這會導致表面蛋白的脫落。因此在做滅活疫苗時，考慮到疫苗的有效性，不傷害表面蛋白的完整性顯得尤為重要。此外，本次研究發(fā)現(xiàn)新冠病毒的表面刺突蛋白分布稀疏，因此可針對性地設計抗體，并從側(cè)面攻擊刺突蛋白。

談及對該工作的總結(jié)，李賽告訴 DeepTech：“我過去從事烈性囊膜病毒 12 年研究，冷凍電鏡斷層成像 9 年研究，并在牛津大學生物安全三級實驗室工作 5 年。這些經(jīng)歷讓我積攢了大量的經(jīng)驗，并有自己獨到的科研方法。另外，清華有包括冷凍電鏡在內(nèi)的強大平臺支持?！?br>

尾聲：顏寧的正確決定

李賽和陳勇這對 “師徒”，都曾在杭州讀過書。李賽本身就是浙江人，高考時是家鄉(xiāng)的高考狀元，并以第一志愿報了清華，但卻因為 5 分之差和清華失之交臂，后進入杭州大學學習，畢業(yè)后留學歐洲并在英國工作。

2017 年，李賽在牛津大學聽了時任清華醫(yī)學院教授顏寧的報告，彼時的顏寧也在尋找冷凍電鏡方面的人才。報告結(jié)束后，清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心國際學術(shù)顧問章佩君教授，把李賽介紹給顏寧，并說：“這就是你想要的人?！?br>
但當時李賽發(fā)的論文并不多，猶豫半年后才向顏寧投簡歷，結(jié)果顏寧郵件回復的第一句話，就讓他疑慮頓消：“清華生命學院不是找有 CNS（Cell、Nature、Science 三大刊）的人?！?就這樣，李賽破格進入清華，如今來看顏寧的決定是對的。

從當初和清華失之交臂，到現(xiàn)在在這里做研究，這讓李賽頗為感慨。而陳勇的經(jīng)歷也很曲折，他高考分數(shù) 549 分，本科就讀于杭州的華中農(nóng)業(yè)大學，后考入中科院生物物理研究所碩博連讀。

陳勇對杭州很有感情，每次回浙江岳陽老家都要經(jīng)過杭州。當看到自己曾生活的城市爆發(fā)疫情，他內(nèi)心很受沖擊，但本次和團隊做出的成果，也讓他不愧對 “曾在杭州待過的四年”。成果出來后，他只跟同在杭州的本科同學四人小群中提了一下。

談及未來，陳勇并無去國外做博后的打算，他認為李賽提供的平臺已經(jīng)足夠好，而出國卻未必能找到更好的平臺。他認為不能盲目出國，關(guān)鍵是看哪里有最佳平臺。