抗疫|42天解鎖病毒入侵“密鑰”:新冠病毒陌生又狡猾

除夕晚上7時許,蘭君離開了實驗室,回到宿舍,看了會兒春節晚會。從1月11日算起的42天裡,這是他給自己放的唯一一會兒假。

剛過而立之年的蘭君,是清華大學博士生,庚子春節,是他過的第一個“沒有回家,沒有年夜飯”的春節。留守校園,是為了一項至關重要的攻關。

蘭君的導師是清華大學生命科學學院教授王新泉,他率領著蘭君和課題組與清華大學醫學院教授張林琦課題組聯手攻關。師生們爭分奪秒、夜以繼日地忙碌,為的是尋找到一把“密鑰”,能夠解鎖新型冠狀病毒入侵人體的一瞬。

“如果能夠解鎖,就可以為抗體篩選和藥物研究提供支撐。”蘭君說。

42天,他們解鎖成功。

留守的戰鬥

1月下旬,還沒放寒假,蘭君就接到了導師發來的任務——對新型冠狀病毒的結構、入侵機制等進行解析。

按照以往經驗,解析某種蛋白的三維結構,受多重因素影響,時間上短則三四個月,多則一年,週期無法事先預料。

蘭君給家裡打電話,說不準備回去過年了。他爸媽有些不理解,兒子都一年沒回家了,過年還不回?“當時大家對疫情還沒有像現在這樣重視。”蘭君說。

接下來的日子,蘭君基本上每天早上7時許到實驗室,晚上快11時才離開。要做的工作實在是太多了,從基因序列到構建克隆,培養細胞,再到表達、純化蛋白,驗證結果,忙得經常忘記時間。“每天都像在以百米衝刺的速度跑馬拉松。”聯合課題組中另外一位博士生單思思說。

忙,其實沒什麼,最讓蘭君揪心的是,“實驗幾乎每天都充滿不確定性”。疫情襲來,交通管控、封閉校園……實驗室裡起初只有蘭君一個人。時間緊、任務重、人手不足,他咬牙堅持著,他知道要想在最短時間完成任務,每一個實驗步驟都必須設計得嚴絲合縫、環環相扣,不能耽誤中斷。蘭君開始遵循一套方法——在進行上一個實驗時,已開始提前設計下一個實驗,再根據實驗結果準備多個備選方案和實驗材料,如果一種方法失敗了,需要立即嘗試其他方法。

春節期間,部分企業停工停產,物流也不給力,很多平日常見的材料無法供應。“實驗所用的細胞培養基、蒸餾水和酒精等,都是從學校其他實驗室‘化緣’而來。” 蘭君笑著說。

疫情蔓延至全國,爸媽也越來越理解蘭君的工作,還時常叮囑他,一定要注意安全,別太辛苦。家人的支持讓蘭君感到溫暖。

除夕,蘭君走出實驗室,準備給自己放個小假。騎車回宿舍的路上,人很少,車也很少,“但我一點也不孤獨,我滿腦子想著的都是課題研究。我很自豪,能做這些工作。”蘭君說。

電視裡,看到白衣天使勇敢逆行,救治病患,蘭君很感動,這份感動,還驅使他提筆改編了歌曲《成都》的歌詞……他堅信,有天使在努力,有科研人員在攻關,陰霾驅散的那天,不會太遠。

好友的聯手

蘭君導師王新泉的忙碌,從1月上旬就開始了。

疫情在武漢暴發之初,王新泉和張林琦就已開始關注新型冠狀病毒,也正是從那時開始,兩個課題組決定聯手攻關,阻擊新型冠狀病毒。

這已不是這對好友的第一次合作。

張林琦長期從事艾滋病等人類重大病毒性傳染病的致病機理研究,並重點研究疾病進展過程中病毒與免疫系統相互作用關係,研發過抗病毒藥物、抗體和疫苗。

王新泉的主要研究方向為結構生物學,他以X-射線晶體學為主要研究手段,結合其他生物化學及生物物理技術,研究細胞因子介導的宿主免疫反應和病毒侵染及免疫逃逸的結構機理。

兩位科學家幾乎同時回國任教,曾並肩阻擊過埃博拉病毒、寨卡病毒、中東呼吸道綜合徵冠狀病毒、禽流感病毒等新發突發高致病性病毒。

控制病毒的關鍵之一在於準確認識其感染機制,進而針對重要靶點開展藥物篩選和疫苗研究。“與細菌不同,病毒的一大突出特點是,脫離開細胞後生存能力非常有限,只有進入細胞才能複製出‘子孫萬代’,進而侵蝕人體內臟。”張林琦說,因此,研究病毒如何進入細胞這一步非常關鍵。病毒表面蛋白是病毒進入細胞的關鍵“鑰匙”,它可以打開細胞受體蛋白的“鎖”,進入細胞並啟動其複製過程。機體的保護性抗體反應,正是通過識別和阻斷“鑰匙”與“鎖”的結合,從而阻斷病毒進入細胞。“現在疫苗研發的關鍵靶點就是針對新型冠狀病毒的這把‘鑰匙’展開的。”張林琦說。

兩個課題組決定利用X射線衍射技術,解析新冠病毒表面刺突糖蛋白受體結合區RBD與人受體ACE2蛋白複合物的晶體結構,進而探索病毒入侵之奧秘。

可新型冠狀病毒,是那麼陌生,又是那麼狡猾,每一天的疫情數據,都讓張林琦和王新泉感到焦灼。兩個課題組的研究不斷提速、提速,以期儘快看到病毒的模樣,找到解鎖病毒的“密鑰”。

1月11日,復旦大學公佈首個新型冠狀病毒基因序列。此後,兩個課題組進入馬拉松式的接力模式。

珍貴的晶體

分析實驗結果、策劃下一個實驗、開會討論、跟科研單位溝通反饋信息、與國外的合作伙伴對接……每一天,課題組中的每一個人都在爭分奪秒。

連軸轉的張林琦,幾乎忘了白天黑夜,每天腦海中盤旋的“除了新冠,還是新冠”;王新泉的睡眠時間也極度壓縮,有時深夜一兩點還在給學生回郵件,幾乎每天,他都要通過電話、微信,與蘭君他們溝通實驗進展……

一週時間,合成所需基因片段;再一週,完成病毒包裝、病毒擴增、表達純化蛋白……

“最開始純化出的RBD蛋白性質不均一,當中有單體和二體兩種狀態,且兩種狀態都與受體蛋白結合。”王新泉回憶,“後來,我們把這種複合的RBD蛋白與ACE2混合後,通過反覆的純化步驟,最終才得到了相對均一的單體RBD蛋白和受體ACE2的複合物。”

複合物出爐之後,是晶體生長。需要在不同種類的液體條件中篩選晶體,“能否成功,誰也不知道。”蘭君說,他們只能不斷地準備複合物,一批一批地篩選。在嘗試了上百個條件之後,才終於找到一個條件,能夠生長出衍射條件比較好的晶體。

第一批晶體出爐,可質量不理想。又花了四天左右的時間優化晶體。此時,已是2月15日。

晶體得到了,難題又來了——怎麼送到上海同步輻射光源(我國大陸第一臺中能第三代同步輻射光源)。這一步很關鍵。用X射線對晶體進行衍射,得到的晶體三維結構分辨率更高,能把“解鎖”過程觀察得更加清楚。

“晶體需用小液氮罐保存,以往一般由學生送去上海,可寒假期間人手緊張,一去一回,還得隔離觀察14天,人手更有限了。”王新泉說。幾經周折,通過合作伙伴,他們聯繫到一位司機,連夜開車,趕在第二天下午將晶體送達上海同步輻射光源。那天是2月17日,剛好趕上裝置檢修前的最後一天機時。

課題組通過遠程操作,利用上海光源BL17U線站收集分辨率為2.45埃的衍射數據,並解析其三維空間結構。

2月18日凌晨,收到結構解析數據,課題組快速開展結構分析,成功解析了新型冠狀病毒表面刺突糖蛋白RBD與人受體ACE2蛋白複合物的晶體結構,準確定位出新冠病毒RBD和受體ACE2的相互作用位點,闡明新冠病毒刺突糖蛋白介導細胞侵染的結構基礎及分子機制,為治療性抗體藥物開發以及疫苗的設計奠定了堅實的基礎。

2月21日,此項成果的論文在論文預印本網站BioRxiv在線發表。

42天,初戰告捷!

並肩奔跑的人們

取得研究成果,張林琦、王新泉很開心,讓這對好友更開心的是,還有很多人在和他們並肩奔跑。

西湖大學的周強團隊成功解析新型冠狀病毒細胞受體ACE2全長結構,美國得克薩斯大學奧斯汀分校Jason S McLellan團隊解析出新型冠狀病毒刺突蛋白的近原子分辨率結構。“刺突蛋白與ACE2是兩個相對獨立的研究,我們的研究則正好填補了這兩個蛋白之間如何相互作用的空白,真正把病毒與受體對接點的結構解析了出來。”王新泉說。

而在王新泉和張林琦全力衝刺的同時,西湖大學周強團隊也成功解析出全長ACE2與新型冠狀病毒RBD複合物結構,中國科學院微生物所齊建勳團隊也解析出新型冠狀病毒RBD與ACE2蛋白複合物的晶體結構。值得一提的是,三個團隊對外公佈成果時,都附上了其他兩個團隊的工作進展介紹,他們也將複合物的晶體結構公開,供更多同行下載參考。“這些工作相互印證、相互支持,為進一步理解病毒的感染機制奠定了基礎。”王新泉說。

並肩奔跑的,還有北京化工大學生命科學與技術學院生物安全技術研究中心主任童貽剛。這也是一位多次直面病毒的老將。

2015年,童貽剛曾赴西非塞拉利昂參與埃博拉疫情防控。“當地溫度很高,30℃左右,我們工作時也穿著猴服,戴著N95口罩,捂得嚴嚴實實,一天下來,臉上滿是口罩印記,衣服也溼透了!” 童貽剛說。不知是氣候不適還是環境悶熱,他在當地得了蕁麻疹,回國半年多後才治癒。

2020年1月22日,科技部緊急啟動“新型冠狀病毒感染的肺炎疫情科技應對”第一批8個應急攻關項目,在中國疾控中心病毒病預防控制所牽頭的病毒溯源攻關項目中,童貽剛團隊參與其中。

童貽剛原本想從武漢華南海鮮批發市場開始病毒溯源,但市場關閉,已無法入內採集樣本。

童貽剛只好轉換思路,重點調查武漢周邊的動物。他和團隊成員發動已放假回老家的同學和一些合作單位,在武漢周邊農村的豬圈、羊圈、牛圈,用棉籤蘸取動物糞便標本,“這樣便於操作,取得樣本,感染風險也不大。” 童貽剛說,目前,他們已收到幾百份樣本,後續將基於這些標本開展基因組的測序和全基因組序列比對。他們期待,從這些動物樣本的分析中,能夠尋得新型冠狀病毒的“蛛絲馬跡”。

“我們學院也發出倡議,號召不同專業團隊發揮優勢,協同作戰,有力出力,有資源出資源。”童貽剛說,倡議發出後,學校裡多個團隊都積極響應,目前,該實驗室已聯合相關課題組推進診斷試劑、抗病毒藥物和疫苗研發等多個方向的工作。

……

並肩奔跑還在繼續。

張林琦團隊正在同深圳市第三人民醫院、中國醫學科學院輸血研究所團隊開展合作,對新型冠狀病毒感染和恢復期病人體內保護性抗體反應進行系統和全面的分析研究,同時,團隊也正以多種形式推進抗新型冠狀病毒疫苗研發。

“作為科研人員,我們的初心其實都是一致的,就是希望能為人類在抗擊病毒、知識積累創新等方面做更多貢獻。” 張林琦說。

蘭君也沒有休息,他每天仍在實驗室堅守“8-11”作息,推進後續的攻關。“朔雪飄飛落滿襟,疫病瀰漫亂人心。功名恥計結晶數,直斬流毒報國恩。”這是蘭君在研究初獲進展的時候,寫下的詩句,是抒懷,更是誓言。

蘭君坐在實驗桌前,手持移液槍做研究的樣子,還被國家一級美術師馮國豪製成了雕塑作品,取名 《砥礪者》。雕塑所凝固的形象,不僅是蘭君,還是無數爭分奪秒,與病毒賽跑的科研工作者,他們的日夜兼程,為的是“戰疫”勝利的那一天早日到來。


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