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新冠病毒可能長期存在
近日，中國工程院副院長、呼吸與危重症醫學專家王辰院士在採訪中提到，新冠病毒是有可能轉成慢性的，像流感一樣長期在人間存在的病，對此我們要做好準備。
這種情況下，抗病毒藥物和相關疫苗的研發就顯得尤為重要。
西湖大學周強團隊用冷凍電鏡技術解析ACE2，揭示新冠病毒如何侵入人體。
周強團隊
新冠病毒要想侵入人體細胞，必須藉助它表面的S蛋白抓住人體細胞膜表面的ACE2蛋白，並與之結合，才能入侵到人體細胞。
那麼，S蛋白是如何抓住ACE2蛋白的？ACE2蛋白到底什麼樣？結合的過程是怎樣的？
西湖大學周強團隊的兩項最新成果，分別揭示了ACE2蛋白的全長結構，和新冠病毒入侵人體細胞的詳細過程。
2月19日，西湖大學周強實驗室在科學預印版平臺bioRxiv，上線最新研究成果：利用冷凍電鏡技術，全球首次成功解析新型冠狀病毒受體ACE2的全長結構。
RBD-ACE2-B0AT1 複合物結構圖
新冠病毒和SARS病毒一樣，都是通過ACE2進入人體細胞的，也就是說，ACE2是新冠病毒侵入人體的關鍵。
2月21日，西湖大學周強實驗室在BioRxiv再次發文，解析了新冠病毒S蛋白與ACE2蛋白結合的複合物的三維結構，由此揭開了新冠病毒入侵人體細胞的神秘面紗。
對ACE2結構的解析，將有助於理解冠狀病毒進入靶細胞的結構基礎和功能特徵，對發現和優化阻斷進入細胞的抑制劑有重要作用。
也就是說理解了新冠病毒侵染細胞的機理，可以為藥物和疫苗設計提供有力的幫助。
冷凍電鏡技術解析S蛋白高清結構
2月19日，Science雜誌發表了一篇研究論文，科學家首次通過冷凍電鏡對新冠病毒 S 蛋白結構進行了解析，創建了S蛋白的3D原子尺度結構圖。
清晰到原子水平的S蛋白結構，能夠幫助新藥研發人員們設計和篩選小分子藥物，精準地指導疫苗設計和抗病毒藥物研發，加速開發進程。
新冠病毒 S 蛋白的三聚體結構
什麼是S蛋白？
冠狀病毒由雙層脂質的囊膜組成，包含刺突蛋白（S蛋白）、包膜蛋白（E蛋白）、膜蛋白（M蛋白）以及核衣殼蛋白（N蛋白）。
其中S蛋白和N蛋白是最重要的靶點蛋白。
S蛋白就是冠狀病毒表面的「皇冠」，位於病毒最外層，與病毒的傳染能力相關。
S蛋白承擔病毒與宿主細胞膜受體結合及膜融合的功能，是宿主中和抗體重要作用位點以及疫苗設計的關鍵靶點。
此前研究人員還不了解新冠病毒S蛋白的詳細結構，很多疫苗研發是基於預測的結構，或SARS的S蛋白結構展開的。
由於新型冠狀病毒與 SARS-CoV 病毒之間有結構同源性，研究人員對兩種病毒進行了對比，但是，發現新型冠狀病毒的S蛋白與SARS病毒的S蛋白在結構上並不完全相同。
新冠病毒S蛋白和SARS病毒S蛋白結構差異對比
研究人員專門測試了三種用於結合 SARS 病毒 S 蛋白的抗體，發現SARS 病毒的抗體並不能用於新冠病毒, 針對新冠病毒需要重新設計抗體和疫苗。
另外該論文指出，新型冠狀病毒S蛋白與ACE2的親和力是SARS病毒的10到 20倍，這可能是新冠病毒在人類之間傳播力更強的原因。但是這不代表傳染力是SARS的10倍到20倍，只是說有一定相關性，還需要進一步研究。
該論文的研究成果至少有三個作用：
第一，展開潛在藥物篩查，發現可與這種刺突蛋白結合併破壞其功能的小分子；
第二，設計可以與刺突蛋白結合併抑制其功能的新型蛋白分子或抗體；
第三，設計出這種刺突蛋白的變體，例如使其擁有更高表達水平或熱穩定性，從而誘發更強的免疫反應，以加快疫苗開發。
科研人員所採用的冷凍電鏡技術，到底是何方神聖？
大約300多年前，列文虎克和羅伯特·胡克發明了光學顯微鏡，人類首次用光學透鏡窺探到了「細胞級」的微觀世界。
1930年代，德國科學家恩斯特·魯斯卡發明了世界上第一臺透射電子顯微鏡。1986年，魯斯卡被授予諾貝爾物理學獎，以表彰他在電子顯微鏡方面所做的貢獻。在現代透射電子顯微鏡下，人們可以看到非常精細的原子結構和細胞內部結構。
20世紀70年代，科學家們就提出了冷凍電鏡技術的原理、方法以及流程的概念。經過多年的發展這項技術終於臻於成熟，讓科學家們能夠輕鬆看清生物分子的結構，實現生物分子「近原子級」的解析度。
冷凍電鏡技術的基本原理，是將生物大分子溶液置於電鏡載網上形成非常薄的水膜，然後利用快速冷凍技術將其瞬間冷凍至液氮溫度下。冷凍速度非常快，以至於水膜無法形成晶體，而是形成一層玻璃態的冰。生物大分子就被固定在這層薄冰裡。
將這樣的冷凍樣品保持低溫放置在透射電子顯微鏡下觀察，從而獲得生物大分子的結構，就是冷凍電鏡技術。
冷凍電鏡技術的三位原創性貢獻的科學家：
瑞士洛桑大學Jacques Dubochet教授、美國哥倫比亞大學Joachim Frank教授、英國劍橋大學Richard Henderson教授，獲得了2017年的諾貝爾化學獎。
冷凍電鏡技術是一門交叉學科，有人戲稱這是一次物理學家為了解決生物學問題而獲得的諾貝爾化學獎。
我們看到很多領域，未來技術的發展需要生物、物理、化學、數學、計算機、材料、工程等領域的科學家通力合作，冷凍電鏡技術現在仍有許多改進和提升的空間，在未來大有可為。
冷凍電鏡的生產廠商
目前，生產冷凍電鏡的廠商主要是日本電子、日立和美國FEI（2016年被美國賽默飛收購）。在冷凍電鏡的市場佔有率方面，幾乎是FEI一家獨大，與冷凍電鏡配套的直接電子探測器也主要是美國Gatan公司的K2相機。
FEI公司成立於1971年，它的發展歷經了多次併購，通過強強聯合，使自己的實力越來越強大。
1996年：收購美國ElectronScan公司及其」環境掃描(ESEM)」技術；收購位於捷克布爾諾的Delmi公司
1997年：FEI和飛利浦電子光學合併其全球業務
1999年：新的FEI購併美國Micrion公司
2002年：FEI收購Atomika (SIMS二次離子質譜儀)
2003年：FEI收購Emispec (ESVision)
2016年：賽默飛以42億美元收購FEI
從FEI的發展歷史可以看出，併購是一個擴充核心業務、增強企業競爭力的重要策略。
總的來說，國外先進電鏡設備廠商都經過了幾十年的技術積累，設備或技術的研發涉及材料、光學、生物、計算科學、半導體、系統集成和先進位造等多個學科技術領域，中國還有很長的路要走。
中國引進冷凍電鏡設備
圖片來自儀器信息網
冷凍電鏡在生物學、醫學和新藥研發等領域發揮著越來越重要的作用，成為研究細胞結構與功能的主要技術手段。
儘管冷凍電鏡設備非常昂貴，但是中國、歐州和美國等眾多國家，都在投入大量資金購買。
一般高端冷凍電鏡價格都在3000萬人民幣以上，還不包括需要額外配備的近400萬人民幣的K2相機。此外，冷凍電鏡一年的運行維護保養成本也有300萬左右。
清華大學、中科院生物物理所、上海蛋白質中心、北京大學、復旦大學、上海科技大學、四川大學、浙江大學等多家高校與科研機構都紛紛引進了高端冷凍電鏡。
2009年清華大學引進了亞洲第一臺冷凍電鏡，截止2016年就基於冷凍電鏡技術發表了7篇 Cell、Nature、Science 國際頂級期刊文章。
據統計，中國目前有各種型號的冷凍電鏡超過50臺，其中高端冷凍電鏡超過27臺。
冷凍電鏡在中國的發展
據施一公教授2016年發布的文章「Biological cryo-electron microscopy in China」顯示，2008-2016中國內地科研人員基於冷凍電鏡發表的多項代表性成果，共計53篇。
中國的科學家們解析了冷凍電鏡在染色質組織、免疫反應、離子通道、光合作用、核糖體生物起源、RNA代謝和病毒結構等研究中的應用。
儘管冷凍電鏡在其它國家也在快速健康的發展，但是中國的增長速度遠超過世界平均水平;這一趨勢預計會再持續5-10年。
助力中國原創靶向藥獲得突破
眾所周知，生物醫藥和健康產業將是巨大的「增長點」。
而藥物研發的過程極其漫長，從研發到上市一般都需要10年。治療白血病的藥物研發則經歷了近100年。
冷凍電鏡可以通過低溫冷凍技術，觀察活的原始樣本，進而用於研究致病機，例如發現癌症的致病機理，從而推動癌症等重大疾病的診斷和治療，極大地縮短製藥的時間。
未來可期，希望冷凍電鏡的應用會大大縮短靶向藥物的研發時間，助力中國研發自己的原創藥。
參考資料：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/02/19/science.abb2507
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3018
互動話題
來說說
為什麼諾貝爾化學獎經常是生物或物理領域的科學家獲得?
冷凍電鏡在新能源新材料領域會有哪些用處呢？
你還知道冷凍電鏡相關的哪些大牛？
你還關心哪些科技？
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