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看清新冠病毒原子图的冷冻电镜是什么利器?

2020-02-21 19:48
来源: 快科技

据外媒报道:美国奥斯汀得州大学和美国国家卫生院的研究人员19日在《科学》期刊发表重磅报告,首次公开新冠肺炎病毒表面棘蛋白的高清3D原子图,棘蛋白是吸附和感染人体细胞的蛋白质构造,这朝加速研发疫苗跨出重要一步。

据了解,该团队利用尖端的“冷冻电子显微术”呈现了新冠病毒原子3D原子图。

冷冻电镜来源

大约300多年前,列文虎克和罗伯特·胡克发明了光学显微镜,人类首次用光学透镜窥探到了“细胞级”的微观世界。光学显微镜主要是利用光通过透明介质的折射原理,对光进行聚焦,从而实现图像的放大。

而在上世纪30年代,德国科学家恩斯特·鲁斯卡发现电子在磁场下可以发生聚焦的效应,发明了世界上第一台透射电子显微镜。透射电子显微镜的问世,使我们可以观察更为精彩的微观世界。在现代透射电子显微镜下,人们可以看到非常精细的原子结构和细胞内部结构。

如今,科学家在透射电子显微镜之上发明了冷冻电镜,实现了生物分子“近原子级”的分辨率,让人类终于可以一窥究竟生物分子是如何执行其功能。在过去几年里,冷冻电子显微镜技术逐渐成为结构生物学的重要研究工具。冷冻电镜技术的三位先驱者,也凭借对冷冻电镜技术的开拓和持续推进,获得了2017年的诺贝尔化学奖。

冷冻电镜技术的基本原理是将生物大分子溶液置于电镜载网上形成一层非常薄的水膜,然后利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。冷冻速度非常快,以至于水膜无法形成晶体,而是形成一层玻璃态的冰。生物大分子就被固定在这层薄冰里。将这样的冷冻样品保持低温放置在透射电子显微镜下观察,从而获得生物大分子的结构,被称为冷冻电镜技术。

在透射电子显微镜下,高能电子束穿透每一个分子,如同X光穿过人的身体一样,可以拍摄到分子的形貌和它内部的结构信息。科学家们利用计算机将样本里的每一个分子提取出来,把相似的分子予以归类,然后叠加、平均获得其内部结构更为精细的图像,由此得到分子不同方向的二维结构,最后经过计算机三维重构算法,可以得到分子的三维模型。这一过程被称为冷冻电镜三维重构解析。

冷冻电镜下的新冠病毒原子

该团队先研究中国大陆科学家公布的病毒基因码,培养出稳定的棘蛋白样本,然后利用尖端的“冷冻电子显微术”呈现3D原子图。得州农工大学德克萨卡纳分校病毒学家纽曼表示:“这是新冠肺炎病毒最重要蛋白之一的完美清晰结构,我们可以了解病毒如何找到并进入细胞,堪称重要突破。”

主导研究的得州大学奥斯汀分校科学家麦克拉伦说明,“合成棘蛋白其实是我们想引入人体中的抗原,以帮助免疫系统产生抗体,做好对抗病毒的准备,这样当病毒真的来袭,免疫系统就能随时迎战。”

研究团队已将该结构图谱交给国际资料库,预计于26日之后公开,供全球进行相关研发。

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