新冠病毒3D高清结构照曝光，中沙奥三国团队参与，获2021 Nature开年最佳科技图

时间：2023-09-24 16:54:02 | 来源：网站运营

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新冠病毒3D高清结构照曝光，中沙奥三国团队参与，获2021 Nature开年最佳科技图片｜专访：“我从来没见过长得‘这么好’的病毒！”

图 | 新冠病毒 3D 艺术照，病毒和细胞颜色为人为渲染，并非真实色彩（来源：李赛）

新冠病毒 3D 照片诞生时，清华生命科学学院研究员李赛发出如上感慨。制作该照片耗时一百多天，并成为 Nature 2021 开年最佳科技图片，其实验室也成为全球首个解出完整新冠病毒真实结构的科研团队。

如图，新冠病毒平均直径不到 100nm，外部全是刺突蛋白 “触手”，内部有序排列着核糖核蛋白复合物（RNP），复合物上缠绕着核糖核酸链。

“工作在 100 天完成，投稿 45 天后上线，（这）不是运气。”李赛说。

期间他们还得到了施一公、李兰娟和颜宁等人的帮助。

通过施一公联系李兰娟获得毒株

2020 年 1 月 23 日，杭州封城。出于职业敏感，李赛立马决定研究该病毒，但是清华没有培养该病毒的 P3 实验室。

图 | 李赛（来源：清华官网）

而这类国际热点课题，非常讲究首发性。在联系多个实验室未果后，他决定求助中科院院士施一公。

施一公说：“你去了解一下谁有新冠肺炎病毒。”

很快李赛查到了 “李兰娟院士实验室成功分离出多株新冠病毒” 的新闻，他回复施一公说：“李兰娟院士实验室有。”

施一公答复：“好，我争取今晚就把李兰娟的联系方式要到给你。”

当时正在杭州抗疫的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，立马联系浙大附属一院姚航平研究员。当晚，姚航平已在该医院 P3 实验室着手培养病毒样本。

李赛团队的博士后陈勇告诉 DeepTech，该样本取自一位 20 多岁女性新冠患者的痰液，她在杭州某公司开会时，被从杭州来的同事感染，症状严重后曾到浙大附属一院就诊。

从痰液中提取的环境样本，要成为可做冷冻电镜实验的样品，需要浓缩 1000-2000 倍，且得提供大量的病毒培养液，李兰娟为此专门成立扩增病毒小组，对病毒进行严格灭活和反复验证。最终，该团队筛选出一个产率较高的毒株。出于安全起见，李兰娟团队成员结束工作后，连续两周隔离在单位，直到全部均无症状后才回家。

在符合生物样品运输要求基础上，病毒样品从杭州一路北上进京。到京后，先到中国食品药品检定研究院、并获得相关文件审批后，该样品终于来到清华 P2 实验室。

“被电镜下密密麻麻的病毒吓哭过”

课题立项在春节期间，学生宋雨桐接到李赛电话后，“一点也没犹豫，决定立即从家里返校”。

大年初一当天，“穿着雨衣、戴着两层手套” 的她从杭州老家、赶在封校之前返校，到了才知道要研究新冠，后来 “还被电镜下密密麻麻的病毒吓哭过”。

图 | 计算机构建出的 SARS-CoV-2 图像

一开始，团队中只有李赛和宋雨桐。后来，科研助理张佳星也到位，并开始做接洽手续等铺垫工作。2 月 13 日，陈勇经过学校审批回京，并居家隔离 14 天后入校。为全身心做好工作，他让妻子和不到一岁的孩子回东北娘家。但这时，团队也仅有 4 人。

为让研究及时开展，施一公和清华大学生命科学学院院长王宏伟，给李赛调拨了冷冻电镜的额外机时，并允许他们 “插队” 使用。出于生物安全需要，清华冷冻电镜平台特意把冷冻制样设备 CP3 搬到李赛团队的 P2 实验室。

事后李赛感慨说：“我后来才知道这是一个多么不寻常的决定。”“我一个刚入职没多久的新人，做了很多很‘破格’的事情，感谢学校和学院的大力支持。”

研究后期要用 GPU 处理大量图片，大约有 300 套数据，每套有 41 张照片，每张图有 8 帧、大小约为 70M，当时他们的运算能力已经饱和。经李赛求助后，英伟达无偿借给他们两台 DGX-1 服务器。

全球首次解析新冠全病毒分子结构

具体研究中，他们先是在 P2 实验室对灭活病毒进行提纯浓缩并制样，然后通过冷冻电镜断层成像技术（cryo-ET）进行数据采集，并在 100TB 的数据里筛选出 2294 颗病毒颗粒，这是目前已知最大的新冠病毒 cryo-ET 数据集。

5 月，他们重构出新冠病毒 3D 结构，病毒囊膜的腔体平均直径约 80 纳米，病毒表面约有 30 个刺突蛋白，其分辨率可达 7.8-11Å，这些刺突蛋白随机分布，并能在病毒表面自由旋转和游走，而这也是新冠病毒独一无二的特征。

正因此，在攻击细胞时，它能随意调整方位、并和受体结合，这可能是其高传染性的原因之一。

在解析刺突蛋白结构后，他们当时就可投稿给期刊，但李赛打算做出病毒内部结构后再说。他表示：“表面的刺突蛋白其实不难看清，但我想要看完整病毒的结构，只看到外面不算完整，也体现不出‘透射电镜’的‘透射’”。

紧接着，团队中的徐家璐获批返校，病毒外壳得以扒开，就像用手电筒照明一样，他们把光照进病毒内部，发现病毒内部约有 30 个 RNP，这些 RNP 在病毒内部规则排列着，一种排列方式是以六聚体 “鸟巢” 状贴着囊膜排列，另一种是以正四面体 “金字塔” 状排列在病毒球心位置。

图 | 核糖核蛋白复合物

新冠传播，是通过刺突蛋白结合人体血管紧张素转换酶 2（ACE2）受体的方式，他们猜测新冠的高传染性可能跟 RNP 排列方式有关，理由是该排列方式可让病毒得到加固。因此，在感染者打喷嚏释出病毒后，病毒也能 “抗住” 不同环境，并寻觅下一个宿主。

为此，他们专门做了病毒韧性测试，先在液氮中放入灭活病毒做急速冷冻，再把它放在温水中。经过反复冻融后，病毒 “几乎完好如初”。

研究半途中，科研助理张哲源入职，通信工程专业出身的他，就数据处理写了些脚本，期间很多细节还得手动调整。此外，宋雨桐负责病毒纯化、制样、数据采集与处理。她把刺突蛋白样品拿到校内质谱平台做糖基化分析，最后和张哲源根据结果绘制出相应的数据图。当时，团队中的孙楚杰在浙江无法返校，只能线上参与研究，因此他主要负责统计分析工作。

图 | 李赛和团队，最终共计 7 人，平均年龄不到 28 岁，前排左起：宋雨桐、李赛、张佳星；后排左起：张哲源、孙楚杰、陈勇、徐家璐（来源：李赛）

6 月，电脑屏幕上放出结果，李赛很激动，他给团队打电话：“通知所有人，停下所有的工作，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！”

图 | 真实的新冠病毒全病毒内外结构图（来源：李赛）

颜宁 “激将”，三天完成论文并向 Cell 投稿

但在这时，李赛所在学院院长王宏伟开始敦促他，远在美国的颜宁也给他打电话：“李赛，你竞争者的文章都上线了，你的文章到底什么时候能上线？不要找借口，如果你三天之内不把文章写出来，你这篇文章就被彻底 Scoop 了。”

当时，两支国际团队已在预印本网站上发表了新冠病毒表面刺突蛋白结构的成果，研究结论和李赛的也一模一样。但他并不担心 “相似”，他说：“一模一样不怕，这说明我们的研究方法和同行保持了同步水平，我们就可以更坚定地走下去了。”

但同行成果已经发布，李赛只得咖啡一杯接一杯，三天内就完成初稿，写完整个人瘦了四斤。写好初稿后的当晚九点，他发给施一公审阅，第二天早上八点，他收到了对方改动近 30%、且带有标注细节的修改版。

李赛说：“真的和博士生导师改毕业论文一样细，我感动极了。”“我当时很惊讶，施一公老师说他立即停下手里其他工作，第一时间看这篇内容。因为我知道，施老师其实非常忙...... 而且他可能一晚没怎么睡。”

最终，在颜宁打电话催促的第七天后，他们给 bioRxiv 预印平台投稿，并在三天后向 Cell 投稿。一位审稿人告诉李赛团队，这是他目前见到的最完整的新冠病毒结构，并认为这是 cryo-ET 技术在解析囊膜病毒方面的完美呈现。法国科学院院士、著名结构病毒学家 Felix Rey 教授写信表示：“这是一个里程碑式的工作”。

同时，也有审稿人给出建议，为此他们又把论文的讨论部分修改得更饱满。9 月 15 日，论文以 “新冠病毒的全分子结构”（Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus）为题，在 Cell 正式发表。李兰娟打电话祝贺他们并表示：“你们辛苦了，对人类认识传染病病原做出了新贡献！”

图 | 李赛团队的论文（来源：Cell）

文章发表时，正赶上李赛生日，团队特意送给他一个 “新冠病毒造型” 蛋糕，看到后他哭了：“打开蛋糕盒子的刹那，我没能忍住泪水。那一刻我意识到，一位高校教师最大的满足，不是发了好文章，不是拿到人才称号、科研经费，而是自己视如儿女的学生终于成长。”

他向 DeepTech 回忆称：“如果说这个项目是一个有 100 道选择题答卷的话，我们这次一口气答对了所有的题目，几乎没有走任何弯路，才（能）有这样的速度。而这样的全对，源自过去近十年科研的积淀。”

论文发表后，奥地利 Nanographics 公司和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科学技术大学伊万・维奥拉团队找到李赛，表示想给他们的成果制作高清科普影像，于是便有了文章开始的紫色照片。

事实上，英国和德国均有团队在做同一研究，谈及该团队研究的独特之处，陈勇告诉 DeepTech：

其一，他们统计的病毒数量、以及采集的数据量都是目前最大的，此前人们拿到的病毒照片或模型多是计算模拟的，刺突蛋白分布的比例往往失真，而本次研究依靠真实病毒数据，做出来的 3D 模型也最准确；

其二，英德团队只是聚焦在外面的刺突蛋白，而他们做了内部核糖核蛋白复合物的工作；

其三，该团队还分析了病毒原样品表面刺突蛋白糖的情况。此外，中英德三个独立小组做出的结果互相印证，这也体现出真理的唯一性。

此外，本次工作还获悉了新冠病毒的缺点，即其表面刺突蛋白柔性较大，这会导致表面蛋白的脱落。因此在做灭活疫苗时，考虑到疫苗的有效性，不伤害表面蛋白的完整性显得尤为重要。此外，本次研究发现新冠病毒的表面刺突蛋白分布稀疏，因此可针对性地设计抗体，并从侧面攻击刺突蛋白。

谈及对该工作的总结，李赛告诉 DeepTech：“我过去从事烈性囊膜病毒 12 年研究，冷冻电镜断层成像 9 年研究，并在牛津大学生物安全三级实验室工作 5 年。这些经历让我积攒了大量的经验，并有自己独到的科研方法。另外，清华有包括冷冻电镜在内的强大平台支持。”

尾声：颜宁的正确决定

李赛和陈勇这对 “师徒”，都曾在杭州读过书。李赛本身就是浙江人，高考时是家乡的高考状元，并以第一志愿报了清华，但却因为 5 分之差和清华失之交臂，后进入杭州大学学习，毕业后留学欧洲并在英国工作。

2017 年，李赛在牛津大学听了时任清华医学院教授颜宁的报告，彼时的颜宁也在寻找冷冻电镜方面的人才。报告结束后，清华大学结构生物学高精尖创新中心国际学术顾问章佩君教授，把李赛介绍给颜宁，并说：“这就是你想要的人。”

但当时李赛发的论文并不多，犹豫半年后才向颜宁投简历，结果颜宁邮件回复的第一句话，就让他疑虑顿消：“清华生命学院不是找有 CNS（Cell、Nature、Science 三大刊）的人。” 就这样，李赛破格进入清华，如今来看颜宁的决定是对的。

从当初和清华失之交臂，到现在在这里做研究，这让李赛颇为感慨。而陈勇的经历也很曲折，他高考分数 549 分，本科就读于杭州的华中农业大学，后考入中科院生物物理研究所硕博连读。

陈勇对杭州很有感情，每次回浙江岳阳老家都要经过杭州。当看到自己曾生活的城市爆发疫情，他内心很受冲击，但本次和团队做出的成果，也让他不愧对 “曾在杭州待过的四年”。成果出来后，他只跟同在杭州的本科同学四人小群中提了一下。

谈及未来，陈勇并无去国外做博后的打算，他认为李赛提供的平台已经足够好，而出国却未必能找到更好的平台。他认为不能盲目出国，关键是看哪里有最佳平台。