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全球率先揭露新冠病毒真身 清华团队平均年龄不足28岁

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北京日报客户端11月25日消息,2020年搅乱全世界的新型冠状病毒,到底有着怎样神秘而又强大的结构?这一课题,令国内外的结构生物学家着迷。自年初以来,在清华大学生命科学学院,“80后”研究员李赛带领一支平均年龄不足28岁的年轻队伍,持续奔跑100天,在新冠病毒结构解析之路上迎来重大突破。

通过与中国工程院院士、浙江大学教授李兰娟课题组合作,他们利用冷冻电镜,首次“透视”新冠病毒从内到外的全病毒三维结构,发现了这种病毒狡诈本性:在病毒表面,凸起的皇冠模样的刺突蛋白随机分布,可自由摆动,像古代的冷兵器“链锤”一般灵活,还可调整方向,便于进攻受体;在病毒内部,超长核糖核酸(RNA)规则收纳,经过特殊结构组装之后,呈现“鸟巢形”和“金字塔形”,能为病毒提供强健的“骨骼”。

从5.5万“皇冠”中锁定病毒外观

疫情来袭,家乡告急,准备来京团聚的父母也被劝返……作为有着近10年研究囊膜病毒经历的学者,李赛猜想,这个新病毒结构非同一般,而他花了8年时间掌握的冷冻电镜断层成像技术恰好能派上用场,使之现出真身。

想要拆解结构,首先得获取病毒样本。当时,正值前方抗疫的关键时期,多方打探未果后,李赛向中国科学院院士施一公求助,之后与正在前方抗疫的李兰娟院士团队取得联系。李兰娟团队依据李赛的需求,专门针对电镜研究筛选出病毒样本,将样品浓缩1000至2000倍,并进行了严格的灭活处理。

在谈“疫”色变的二三月份,即便是灭活病毒,进入校园也相当敏感。为此,结合此前五年在P3实验室工作的经历,李赛制定出详细的实验计划和安全守则,对于如何开展病毒运输、保存、样品提纯、冷冻制样等均做了周密部署,并安排实验室负责生物安全的管理员张佳星改造了P2实验室。当时,全世界对新冠病毒的研究都不多,他翻阅了两本厚厚的《病毒学》,并查阅了此前SARS等冠状病毒的资料,从中寻找可以借鉴的思路。

大年初一,穿着雨衣、踏上乘客稀少的高铁赶回学校的博士生宋雨桐,成为当之无愧的主力。进实验室仅一年的她,承担起提纯浓缩、观察样品、收集数据等重任。

经过层层把关,3月底,灭活病毒进入清华的P2实验室,与时间赛跑的进程随之启动。

为了确保安全,所有暴露灭活病毒样本的操作必须在P2实验室开展,实验必需的设备和耗材等都要搬进实验室。宋雨桐记得,病毒样本来的第一天,“我和李老师忙着搬实验用品,来来回回忙活了好几个小时,实验服穿了脱、脱了穿。”

那会儿,武汉抗疫尚未告捷,全球病例持续增加,科研人员的使命感激励他们加快脚步。“每天都在思考样品够不够,怎样在短时间内获取样品,操作是否安全,预约的机时在哪个时段……”从实验室到寝室,两点一线的节奏中,“新冠”成为宋雨桐生活的全部。

将灭活病毒培养液浓缩1000倍,制作成冷冻电镜样品并在冷冻电镜下拍照后,她第一次看到新冠病毒的真实模样。这位“95后”姑娘被吓哭了,“小小一滴透明液体,在冷冻电镜下,一下子变成了满屏密密麻麻的病毒。”她事后回忆,当时的心情喜忧参半:忧的是,病毒浓度如此之高;喜的是,经过连续多日高强度的实验,终于提纯成功了。

头一个月,李赛团队采集了100TB新冠病毒结构数据,从中筛选出2294颗病毒颗粒,并从病毒表面挑选出5.5万个刺突蛋白、病毒内部挑选出2万个核糖核蛋白复合物。

新冠病毒属于囊膜病毒,其显著特点是“千毒千面”,每一颗病毒的模样都不一样。形态各异的病毒有何共同点,呈现哪些核心特征?李赛说,“我们要通过重构,从2000多颗病毒颗粒中,凝练出病毒的典型特点,并绘制出具有代表性的新冠病毒的‘大众脸谱’。”

新冠病毒表面,凸起的“皇冠”模样的刺突蛋白,是侵入人体细胞的“钥匙”。

借助数据,他们解析出处于融合前状态及融合后状态的三种不同构象的刺突蛋白结构,由此,新冠病毒的外部“真身”被看得一清二楚:表面凸起的刺突蛋白非常少,平均不到30个,且分布随机,犹如古代兵器“链锤”一般,可在病毒表面自由旋转甚至游走。

“这在囊膜病毒中还是首次发现。”李赛分析,这种灵活的特性有利于“钥匙”及时调整方向,同细胞上更多的“锁”结合,进而增加侵染细胞几率。这可能是它高传染性的原因之一。

他们还发现,刺突蛋白表面有66个糖基化修饰,这些糖像盾牌一样,保护病毒不被免疫识别。

精选2万颗复合物看清“巢中蛋”

看清病毒外部结构,这一成果足以在国际顶尖期刊发表了。不过,李赛并没有急于投稿,寻找样本时施一公院士的慷慨相助、学院领导开设“绿灯”支持冷冻电镜机时、英伟达公司无偿出借价值上百万元的服务器……这些雪中送炭的支援,促使他立志向科研的更高峰挺进,“我一定要看到完整的病毒结构!”

所谓完整病毒结构,意味着不仅要看清外部,更要透视内核,而后者才是处女地。

新冠病毒的所有遗传信息都编码在其核糖核酸(RNA)上。病毒想要“繁衍”下一代,就必须保护好这根“生命之源”。冠状病毒的RNA是所有已知RNA病毒中最长的,其直线长度可达自身直径的100倍。

在病毒内部,名为核糖核蛋白的复合物(RNP),像线轴一样将RNA有序缠绕,并收纳进体内。这种收纳如何完成,一直是未解之谜。

收集核糖核蛋白复合物,成为首先要完成的工作。“这些复合物就像串珠一样密密麻麻,肉眼很难分辨,稍有不慎就有可能把别的蛋白圈进来!”李赛亲自上手,和学生一道,手动挑选2万颗复合物。

复合物到底有何结构特征?没有人知道答案,也无从以其他方式验证。李赛打了一个比方,“这像是在一条孤独的赛道上,没人跟你一起跑,你也不知道跑到了哪里,更不知道终点在哪里。”而一旦公布错误的结构,不仅误导同行,也将成为自己学术生涯的一个遗憾。

作为有责任心的科研人员,面对这种世界级的科研难题,必须慎之又慎。

他们采取的破解之道是,自己和自己验证,“通过调整参数和模板,我们用了多种不同的计算方式,都得到了同样的结果,这样,我心里总算有一点自信了,才敢公布这个结构。”

两个月的忙碌之后,新冠病毒的内部结构终于暴露无遗:大量RNP紧贴囊膜排列,就像骨架一样支撑着病毒;骨架内,有的复合物贴着囊膜以六聚体的“鸟巢”方式排列,而在病毒的球心位置它们又以正四面体的“金字塔形”方式排列。这是世界范围内首次“看清”正义单链RNA病毒的内部结构。

“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,有利于病毒的复制。”李赛分析,这或许是新冠病毒拥有高传染性的另一个重要原因。

“看清纳米级细微生物结构的那一瞬间,如同爬上珠穆朗玛峰俯瞰世界一样,让人兴奋,令人神往。”李赛兴奋地跟学生感叹,我们或许是世界上第一个如此真实看清它的团队。

三天三夜连续奋战抢写论文

可惜,这种“一览众山小的喜悦”没持续多久,就被竞争者先发制人的消息击碎。

李赛清晰地记得,正当自己开始着手撰写论文时,6月27日、28日和30日,国外三支竞争团队在4天内分别在bioRxiv预印网站上线3篇重磅文章,相继揭秘新冠病毒外部的三维结构。

“老师,他们发表的外部结构和数据看起来跟我们的一模一样……”学生担忧地跑来报信。这意味着,李赛团队手中的“筹码”仅剩最关键的一个——透视内核,抢先亮出病毒“真身”。

“当时对我们打击很大!”李赛从没有主持过如此重要的课题,“这是我第一次面对这种直接的竞争,就像在战场上跟敌人拼刺刀一样。”此时,他面临两个选择:就此放弃,找个小刊物发表;抑或直面挑战,在3天之内搞定文章,向全世界率先公布新冠病毒的完整结构。

分享真知的渴望和不服输的劲头儿,促使他选择了后者。三天三夜、不眠不休的奋战后,7月初,他终于写完文章初稿,而另一项隐性“福利”是,“三天之内,我的体重掉了4斤。”

经过清华大学生命科学学院多名资深教授修改评阅,李赛又对文章做了进一步精细调整,之后相继给bioRxiv预印网站和《细胞》杂志投稿。

《细胞》杂志两位审稿人意见都特别正面,其中一位称赞:“这项工作展示了迄今为止我所见过的最完整的新冠病毒形象,这也是使用冷冻电镜断层成像方法解析完整颗粒结构的一次绝妙的应用……”

“文章上线前一晚,我几乎是通宵跟负责我论文的编辑在线修改文章,也深刻感受到顶级刊物的严谨和专业。”李赛说。

9月15日,《新冠病毒的全分子结构》一文正式在《细胞》上线,从投稿到发表,仅用了一个半月的时间,李赛说,这种进度是非常罕见的,给这样的刊物投稿,半年到两年的改稿期都较为常见。

文章获得正式接受后,李兰娟院士打来电话,称赞李赛团队“对人类认识传染病病原做出了新贡献”。

公开结构数据供全球免费使用

100天解析结构,3天写完初稿,一个半月投中……面对如此迅速的进展,有人惊叹,李赛真幸运。其实,高效奋战的背后,是李赛集12年所学的厚积薄发。

早在2012年,冷冻电镜断层成像技术尚属冷门中的冷门,李赛就开始钻研这种工具。后来,他不仅掌握了其使用方法,还做出一些技术创新,“我把自创的高通量、高分辨的数据采集及分析技术,与这套流程结合,以前需要一两年才能完成的工作,现在能缩短至百天左右。”

另外,利用100TB的数据计算结构,需要用到子断层图像平均法,李赛说,计算软件有十多种,每一种都不够完美,遇到缺陷需要自己查找并修改,“我在多年研究过程中,已经建立了自己的程序库,里面包含几百个程序,能把这些缺陷一一清除。”

课题组成立才两年,初出茅庐的学生均未经历过大项目的历练,李赛把自己形容为新兵训练营的教官,“既要亲自上阵,又要拿出狠劲儿,指挥大家向前冲锋!”他每天凌晨5点就来到办公室,每周工作超过120小时,带着学生一起做实验,在组会上又以疫情形势激发青年人的使命感和责任感。

而学生们也不甘落后:博士后陈勇让妻子和孩子回到东北老家,自己留下来参与课题;为了确保安全,解封病毒样本后的两周内,团队成员都不去学校食堂等人员聚集场所,每天吃饭点外卖,并和外卖员全程无接触;每天从实验室结束工作后直接回宿舍,不去其他地方逗留。

如今,李赛的办公桌上,显眼位置新添了一个球形结构组件,这是他用3D打印制作的放大200万倍的新冠病毒真实模样:表面的刺突蛋白清晰可见,分别以粉色、红色、橙色代表不同的状态。墙上的彩打图片,是李赛邀请中东大学团队设计的新冠病毒艺术构想图,他说,以前的艺术构想图,展示的是错误的结构信息,容易误导公众,我们也借助自己的科研成果推动科普工作,让大家看到病毒的最真实模样。

后续研究也正在推进。他们计划对病毒进行体外折磨实验,使之打开。李赛说,我们利用化学方式,加了去垢剂,发现病毒没有解体,虽然外壳脱落,但是核酸和核糖核蛋白复合物还是聚成病毒的样子。我们也尝试物理的方式,在负180℃液氮状态下极速冷冻后,再把病毒放到37℃至50℃的温水中解冻,反复折腾之后,病毒还是完好。

“这个病毒确实很皮实!”李赛说,下一步,我们想真正把病毒打开,更加清晰地了解内部的RNA跟核蛋白如何纠缠,蛋白之间如何彼此吸引、形成稳固的结构,“当前,大部分抗病毒或预防病毒的药物,都是针对病毒表面的刺突蛋白。等进一步弄清内部信息,就能想到办法组织RNA和核蛋白的结合,这也能为药物研制和疫苗开发提供新的可能性。”

目前,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),供全球科研人员免费下载。他也希望,能和全球科学家一道,为推进新冠病毒后续科学研究、疫苗开发、防疫科普等做出中国学者的贡献。

(原题为:《全球率先揭露新冠病毒“真身”,平均年龄不足28岁》)

责任编辑:杨笑

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