新型冠狀病毒、艾滋病毒或普通流感病毒，在高分辨電子顯微鏡下都構成了一幅迷人的畫面。美國在各種媒體，包括電視、報紙和網絡上公佈的圖像是由戈登·喬伊斯博士等研究人員製作拍攝的，目的是幫助研究人員更好地開發最終將摧毀病毒的疫苗。
幾年前，如果研究人員想要一個病毒的可視化圖像，他們必須做一種藝術家般的渲染。喬伊斯是亨利·m·傑克遜軍事醫學發展基金會(Henry M. Jackson Foundation for the Advancement of Military Medicine)的員工，該基金會通過一項合作協議為沃爾特·裡德陸軍研究所(Walter Reed Army Institute of Research)的新興傳染病研究所(Emerging Infectious Disease Branch)提供研究支持。
“幾年前，我們會有這樣的漫畫或藝術表現形式，”喬伊斯說。“但是現在，隨著技術的進步，我們能夠真正使用來自細胞的真實圖像和病毒的真實圖像。”喬伊斯說，在美國疾病控制與預防中心網站上看到的SARS-CoV-2的高分辨率圖像部分是藝術化的，但在病毒灰色身體上看到的紅色“尖頭”是用電子顯微鏡拍攝的。
電子顯微鏡下冠狀病毒表現出的超微結構
喬伊斯說，x射線晶體學和電子顯微鏡是研究人員獲取諸如SARS-CoV-2、HIV-1、MERS-CoV、流感或呼吸道合胞體病毒等令人驚歎的病毒圖像的兩種方法。研究人員使用電子顯微鏡掃描拍攝了多達一百萬張病毒圖像。然後，選擇其中最好的10萬張合成圖像。背後基於很多數學計算來調整這些圖片，最終獲得這些高分辨率圖片。
通過X射線晶體學拍攝合成的呼吸道合胞病毒部分的原子模型
在過去的幾年裡，技術和處理能力無法完成如此龐大的任務。但如今，計算技術的進步使這成為可能。WRAIR的團隊是使用x射線晶體學的專家，利用x射線晶體學來捕獲新冠病毒的圖像，這就像獲得高分辨率衛星圖像一樣。有了這些信息，就能設計消滅病毒藥物或激發人體免疫力的疫苗。實驗室的研究人員培育了一種病毒的蛋白質晶體——只是病毒的一部分——然後用液氮冷卻這些晶體。這些晶體被送往位於伊利諾斯州拉蒙特的阿貢國家實驗室，在那裡接受粒子加速器內沿光束射線的轟擊。
x射線結晶學收集的流感血凝素(中央，紅色)原子模型
喬伊斯說，通過測量晶體的x射線散射可以確定任何被評估物的原子結構。從衍射模式出發，使用一套數學模型轉換回原子細節，找到疫苗設計的關鍵點，也可為治療方法和診斷方式提供技術信息。實驗室人員可以遠程控制光束加載和衍射實驗，同步加速器上大約有40種不同的光束，可以選擇性使用其中的一種來衍射我們的晶體。
通過X射線晶體學收集的中東呼吸道病毒攻擊與人抗體（右，紫色）結合的人細胞（左，紅色）的部分的原子模型
運用x射線晶體學技術不需要像以往那樣捕捉那麼多的圖像，100到400張圖像即可，而不是電子顯微鏡下的10萬張，但必須培育出一種非常好蛋白質晶體。這是比較棘手的工作。但一旦得到了高質量的晶體，那麼數據收集就會非常快，結構測定也會非常快。
SARS-CoV-2病毒以紅色的尖刺顯示。病毒圖像最初是用黑白圖像捕捉的，然後用成像軟件上色，以引起人們對病毒最相關部分的注意。研究人員通常選擇他們認為最適合說明病毒的顏色。通常研究人員會給病毒塗上引人注目的顏色，比如紅色，而傾向於給人類蛋白質塗上更冷的顏色，比如藍色和綠色。
戈登將發佈有史以來分辨率最高的SARS-CoV-2圖像之一，但並不是整個病毒的圖像。更確切地說，是病毒的一部分——表面那些“刺突”的一部分，是病毒致病的關鍵點。正是這種刺突穿透人體細胞並導致感染，這種刺突使是研究人員需要獲得關鍵的信息，越詳細越好，以便開發出疫苗。同時，將幫助小分子藥物研發者在原子水平上理解SARS-CoV-2最重要的部分。在藥物設計中移動一個原子或替換一個原子，在藥效和活性上將產生巨大的差異。
新冠病毒受體結合域（攻擊人體細胞的部分）的原子模型
研究人員還獲得了人類抗體與與新冠病毒結合的圖像。這種抗體能夠與大約15年前的SARS的早期變種病毒結合。這對新型冠狀病毒疫苗的研發來說非常有利。SARS病毒與新冠病毒與人體細胞結合的區域是相同的。研究團隊正在在使用這種抗體來評估候選疫苗。病毒的圖像可以讓每個人看到是什麼能讓人類患病，照片在新聞上很吸引人，但它們不只是藝術品。它們是想要找到治癒方法的研究人員的工具。高分辨率圖像確實至關重要，能為設計疫苗提供原子細節。
由x射線結晶學採集的寨卡病毒(中，粉紅色)與兩種人體抗體(左、右，紫色)結合的原子模型
在世界各地的實驗室裡，研究人員可以利用病毒圖像和隨附的數據文件，從原子層面獲得有關病毒結構的細節，從而為設計疫苗和小分子藥物提供幫助。電子顯微鏡及X射線晶體學圖像技術將成為醫療對策研發的關鍵手段與途徑。
本文摘自2020年3月17日美國國防部新聞報道
https://www.defense.gov/Explore/Features/Story/Article/2115411/high-resolution-virus-pictures-help-researchers-develop-vaccines/
