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冷冻电镜样本制备新技术在新冠病毒结构解析的应用-1

2021.3.08

前言

近日，由新型冠状病毒引起的肺炎疾病在武汉和全国各地都形成了一定规模的爆发，已经引起了中国甚至全球的高度重视，那么这个冠状病毒究竟是什么？

冠状病毒在系统分类上属冠状病毒科(Coronaviridae)，是具外套膜(envelope) 的正链单股RNA病毒，直径约80～120nm。冠状病毒可以引起中东呼吸综合征、严重急性呼吸综合征以及目前正在爆发的新型肺炎。近日，国家病原微生物资源库发布了由中国疾控制中心病毒预防控制所成功分离的我国第一株病毒的电镜照片。

下图中（电子显微镜下的新型冠状病毒武汉株01），黑色箭头所示就是新型冠状病毒，可以看出，病毒的大小约为100纳米。

解析冠状病毒结构，助力疫苗和药物研发

目前，我们已知新型冠状病毒是RNA病毒，它的蛋白结构序列还没有确定出来，在分离完毒株之后，则要用冷冻电镜来全面解析病毒的三维结构，从而为开发疫苗和相关的药物奠定基础。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析到世界上目前分辨率最高的猪瘟病毒结构，这对我们了解该病毒的发病机理，以及如何更好地开发疫苗至关重要。在这个特殊的时期，尽快加速新冠病毒的结构解析同样意义重大，有助于研发出更多更好的抗新型肺炎药物。

我国科学家解析出的非洲猪瘟病毒结构示意图

最近，上海科技大学和中科院上海药物所联合团队预先公布抗冠状病毒最关键的蛋白之一，3CL水解酶的高分辨率晶体结构，并已迅速发现了30种可能对新型冠状病毒有治疗作用的药物、活性天然产物和中药。在这个过程中，冷冻电镜技术是获得高分辨率的冠状病毒三维结构的最佳手段。那么，冷冻电镜是何物？

冷冻电镜技术：结构生物学的革命性突破

冷冻电镜技术（Cryo-EM）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如置于液态乙烷使其形成玻璃态的冰，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原子分辨率的三维空间结构，被称为冷冻电镜技术。冷冻电镜的出现，突破了传统方法如X射线晶体衍射和核磁共振的技术局限，使得解析高分辨率生物大分子复合物的三维结构变得更为容易和常规。

英国剑桥MRC实验室人员在操作冷冻电镜

近年来，越来越多蛋白质或复合蛋白质结构解析领域被称为诺贝尔奖级别的论文陆续发表，背后的利器正是冷冻电镜。2015年，《自然》杂质旗下的子刊nature method将冷冻电镜技术评为年度最受关注技术。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，以表彰他们在冷冻电子显微镜技术上的杰出贡献，使电子显微镜在高真空环境下观察接近生理状态下的蛋白成为可能。

2017 年诺贝尔化学奖三位获奖者