清华大学团队揭开新冠病毒“恶魔”面纱

编辑: 徐怡 来自: 人民网 查看 [ 0] 次 评论[0 2021-2-3 09:20

深夜,清华大学医学科学楼内四周安静,只有仪器工作声偶尔回荡。清华大学结构生物学高精尖创新中心PI生命科学学院研究员李赛正目不转睛地盯着电脑屏幕。

突然,他用颤抖的手拨通了实验室电话:“通知所有人,停下工作,来我办公室。新冠全病毒结构解出来了。我们也许是世界上第一个如此真实、清晰地看见它的团队!”

对人类来说,新冠病毒是个“既熟悉又陌生”的存在。它和严重急性呼吸综合征(SARS)冠状病毒、中东呼吸综合征(MERS)冠状病毒同属冠状病毒大家庭,是导致人类大规模感染的冠状病毒。然而,冠状病毒到底长什么样,一直是个未解之谜。

1月21日,由清华大学生命科学学院李赛实验室和奥地利Nanographics公司、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科学技术大学伊万·维奥拉团队合作的新冠病毒高清科普影像问世。在纳米尺度的图像上,平均直径约为100纳米的新冠病毒像一颗奇异的星球,表面分布着硕大的、可以自由摆动的刺突蛋白“触手”。

7个人,100天,平均年龄不到28岁的李赛团队,和浙江大学李兰娟院士团队合作,打了漂亮的一仗:成为世界上第一个解出完整新冠病毒真实结构的科研团队。

迄今最完整的新冠病毒3D形象问世

刺突蛋白像一把“钥匙”,细胞上的ACE2受体(即新型冠状病毒的受体——记者注)则像一把“锁”。在“星球”内部,超长的核糖核酸(RNA)链致密缠绕在有序排列的核糖核蛋白复合物(RNP)上……最新3D影像展示了新冠病毒入侵人体细胞之初的瞬间:在接触细胞的刹那,新冠病毒与受体结合,并与细胞膜发生了膜融合。

在研究中,李赛团队发现新冠病毒的刺突蛋白分布随机且具有柔性,可以像链锤一样在病毒表面自由摆动甚至游走,这在囊膜病毒中还是首次发现。刺突蛋白摆动的特征会让新冠病毒在攻击细胞时更具灵活性,有利于刺突蛋白同细胞上的ACE2受体结合,这可能是它高传染性的原因之一。

早在北京时间2020年9月15日,国际权威学术期刊《细胞》杂志就在线发表了清华大学生命科学学院李赛实验室与浙江大学医学院附属第一医院传染病诊治国家重点实验室李兰娟院士课题组的合作成果。他们利用冷冻电镜断层成像和子断层平均重构技术成功解析了新冠病毒的全病毒三维结构。

团队还向病毒内部“打手电”,穿过囊膜,清晰地照亮了病毒内部核糖核蛋白复合物的排列结构,展示出迄今为止最完整的新冠病毒形象。审稿人在评审意见里称赞道:“这项工作展示了迄今为止我所见过的最完整新冠病毒形象,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。”

新冠病毒是一种具有高传染性的囊膜病毒,由于它形态随机,每一颗病毒都独一无二,目前只有冷冻电镜断层成像技术才能展现它的真容。李赛是国内少有的既熟悉囊膜病毒,又拥有先进冷冻电镜断层成像技术的青年科学家,此前已经做过拉沙、裂谷热等烈性病毒的全病毒结构,挑起这项工作的担子他责无旁贷。

李赛在接受中青报·中青网记者采访时表示,这个大胆的计划,就像一份有100个选择题的考卷,团队需要在最短的时间内把这100道题全部答对。“这是一个非常困难的过程,竞争者是各自研究所的所长,兵多将广,而我们既年轻,也面临学生不能返校的情况,如今我们真的做到了,几乎没有走任何弯路。背后不是运气,而是过去10年科研的积累”。

“人们对自己看不见的东西总是会掉以轻心,我想只有尽快将新冠病毒真实、完整、清晰地呈现给世界,让大家看到它的骇人形象,才会让更多人重视起来。我们也想在全球贴出它的通缉照,为世界抗疫打打气!”谈起课题立项的初心时,李赛这样说。

他们成了离新冠病毒最近的人

要解析新冠病毒完整结构,必须有真正的病毒样品,但要获得这个材料绝非易事。

李赛是湖北人,2020年1月中旬,他听闻武汉发现不明病毒,信息零散。虽然长期从事病毒相关结构生物学研究,但他并没想到疫情会如此严重,会对他的家乡,以及自己接下来几个月的工作和生活都产生如此大的影响。彼时,他正期待着和从老家来京过年的父母团聚。

和烈性病毒打交道多年的李赛立即意识到,揭示新冠病毒的全貌,将有助于找到病毒的弱点,并对全球抗疫宣传、科普等有重要意义。“这也是作为一个湖北人义不容辞的责任。”李赛告诉中青报·中青网记者。

2020年1月底,他联系了几个可能提供灭活病毒的机构,均未获得回应。

没有病毒,就没有结构可解。看到疫情在湖北家乡持续扩散,李赛异常焦急。这时,他想到了求助施一公院士。令他意外的是,从他拨通施一公院士的电话开始,接下来的事情进展迅速:施院士非常认同李赛的课题想法,立刻联系了李兰娟院士。

当时,李兰娟院士团队拥有多株病毒株。在听取了李赛对病毒样品的详细要求后,他们专门针对电镜研究进行了病毒筛选。最终,来自浙江一位年轻患者的病毒样本入选。紧接着,李兰娟团队得知李赛团队的冷冻电镜实验需要将样品浓缩1000至2000倍,于是专门成立了一个扩增病毒小组,并将病毒进行严格的灭活处理及失活验证。

面对如此大量的病毒样品,且要保证灭活后的绝对安全,对他们而言也是极大的挑战。为了保证不出现意外状况,该团队所有人员在这项工作后两个星期内不能离开研究所,吃住都在研究所里,直到确定所有人都没有出现症状才回归正常生活。

李赛说:“当时中国正处于谈毒色变的特殊时期,而这批样品虽经严格灭活,但要运进清华,还是非常慎重的,万一出现了安全问题,后果不堪设想。”

经过层层审批手续,在浙江制备的灭活病毒样品按照国家相关规定被安全送抵北京。样品进京后,首先进入了中国食品药品检定研究院,在这里,灭活病毒还必须经过备案和检测。此时,李赛则在清华的P2实验室做接收灭活病毒样品的各项准备工作。

在病毒进清华前,他拟定了一套非常详细的实验计划和安全守则并提交给清华大学生物安全委员会,事无巨细地介绍了项目计划,拟订了病毒运输、保存、样品提纯、冷冻制样、实验记录备案、实验过程摄像等详细方案;并列出如果出现样品暴露事故应采取的应急措施。

“当时我和学校都是抱着‘安全第一,科研成果第二’的想法来做准备的。”李赛说。

最终,历时近两个月,经过多方论证,清华在2020年3月底对项目亮了绿灯。获批当日,灭活病毒样品便进入清华,李赛团队一切准备就绪,攻坚战就此打响。

团队平均不到28岁

攻坚初期的一天晚上,李赛走进实验室,发现宋雨桐正躲在实验室的黑暗角落里小声抽泣。“怎么啦,哭什么?”他急忙问。

“老师,我把提纯完的一小滴透明液体,送到冷冻电镜下,拍完照看到满屏幕密密麻麻的病毒,直冒冷汗呀!”23岁的宋雨桐是清华大学生命学院的研究生二年级学生,这是她第一次真实地看到高传染型病毒的样子,虽然病毒已经严格灭活,但一小滴液体中却有浓度如此之高的病毒,让她受到了极大的触动,加上连日的高强度工作,她的情绪一时无法控制。

李赛团队的学生大多和宋雨桐一样年轻且没有太多重大课题的研究经验,但就是这样一个平均年龄不到28岁的课题组,7个人,100天,和浙江大学李兰娟院士团队合作,最终成为世界上第一个解出完整新冠病毒真实结构的科研团队。

博士后陈勇得知要做新冠病毒的课题后,安排妻儿回了东北老家。他说:“家人很支持我,我也希望能像医务工作者一样,在自己的岗位上做点有意义的事儿。”科研助理张佳星则协助李赛制订实验室的安全操作规程,采购实验所需设备,向学校申请学生返校等。

作为首次做如此重大课题的年轻人,他们的压力可想而知。李赛表示:“团队年轻人从来没有承担过这样的科研任务。对于他们来说,以前是端着木头做的枪在稻草人面前比划,如今这些‘新兵蛋子’直接被我带到了真正的战场上。他们完成得非常出色。”

“李老师会注意我们的情绪和压力,并用自己过去的经历来引导我们。”宋雨桐说。此外,李赛也非常感谢学生们对他的信任,在课题研究开展过程中,他时常作出一些战术和方向的调整,“他们虽然年轻,但是非常精干,指哪打哪,给予我完全的信任,如果没有这样紧密的合作。我相信这个课题不会进展得如此顺利”。

在解析了新冠病毒的表面结构后,李赛团队向病毒内部结构推进。

2020年5月,李赛的另一位学生徐家璐获批提前返校,很快便扒开了病毒的外壳,照亮了新冠病毒的体内,让它的内部结构暴露无遗。这个突破,不仅对于新冠病毒,甚至对正义单链RNA病毒都是首次,成为该成果最独一无二的亮点。

如今,新冠病毒高清三维结构已被李赛团队上传至结构生物学的数据库EMDB(Electron Microscopy Data Bank),供全球免费下载,方便后续科学研究、疫苗开发以及防疫科普等。

随着科研成果的发布,不少媒体对于这一团队十分关注。李赛说自己看到了团队同学们的觉悟:“面对众多媒体的约访,我的团队保持了清醒,更没有膨胀。团队成员还婉拒了参与电视晚会的邀请。他们不忘初心,坚守科研岗位,耐得住寂寞,我非常惊讶和感动。”

如今正值寒假,李赛的团队仍然没有停下脚步。“放假的时候学校比较安静,我们可以专心科研。”赶上如今疫情反复,李赛和团队中的小伙伴们都决定留在北京过年,与时间赛跑,继续未完成的科研任务。

记者 叶雨婷 通讯员 甘丹


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