2020年，攪亂全世界的新型冠狀病毒，到底有著怎樣神秘而又強大的結構？這一課題，令國內外的結構生物學家著迷。自年初以來，在清華大學生命科學學院，「80後」研究員李賽帶領一支平均年齡不足28歲的年輕隊伍，持續奔跑100天，在新冠病毒結構解析之路上迎來重大突破。
通過與中國工程院院士、浙江大學教授李蘭娟課題組合作，他們利用冷凍電鏡，首次「透視」新冠病毒從內到外的全病毒三維結構，發現了這種病毒狡詐本性：在病毒表面，凸起的皇冠模樣的刺突蛋白隨機分布，可自由擺動，像古代的冷兵器「鏈錘」一般靈活，還可調整方向，便於進攻受體；在病毒內部，超長核糖核酸（RNA）規則收納，經過特殊結構組裝之後，呈現「鳥巢形」和「金字塔形」，能為病毒提供強健的「骨骼」。
從5.5萬「皇冠」中鎖定病毒外觀
疫情來襲，家鄉告急，準備來京團聚的父母也被勸返……作為有著近10年研究囊膜病毒經歷的學者，李賽猜想，這個新病毒結構非同一般，而他花了8年時間掌握的冷凍電鏡斷層成像技術恰好能派上用場，使之現出真身。
想要拆解結構，首先得獲取病毒樣本。當時，正值前方抗疫的關鍵時期，多方打探未果後，李賽向中國科學院院士施一公求助，之後與正在前方抗疫的李蘭娟院士團隊取得聯繫。李蘭娟團隊依據李賽的需求，專門針對電鏡研究篩選出病毒樣本，將樣本濃縮1000至2000倍，並進行了嚴格的滅活處理。
在談「疫」色變的二三月份，即便是滅活病毒，進入校園也相當敏感。為此，結合此前五年在P3實驗室工作的經歷，李賽制定出詳細的實驗計劃和安全守則，對於如何開展病毒運輸、保存、樣品提純、冷凍制樣等均做了周密部署，並安排實驗室負責生物安全的管理員張佳星改造了P2實驗室。當時，全世界對新冠病毒的研究都不多，他翻閱了兩本厚厚的《病毒學》，並查閱了此前SARS等冠狀病毒的資料，從中尋找可以借鑑的思路。
大年初一，穿著雨衣、踏上乘客稀少的高鐵趕回學校的博士生宋雨桐，成為當之無愧的主力。進實驗室僅一年的她，承擔起提純濃縮、觀察樣品、收集數據等重任。
經過層層把關，3月底，滅活病毒進入清華的P2實驗室，與時間賽跑的進程隨之啟動。
為了確保安全，所有暴露滅活病毒樣本的操作必須在P2實驗室開展，實驗必需的設備和耗材等都要搬進實驗室。宋雨桐記得，病毒樣本來的第一天，「我和李老師忙著搬實驗用品，來來回回忙活了好幾個小時，實驗服穿了脫、脫了穿。」
那會兒，武漢抗疫尚未告捷，全球病例持續增加，科研人員的使命感激勵他們加快腳步。「每天都在思考樣品夠不夠，怎樣在短時間內獲取樣品，操作是否安全，預約的機時在哪個時段……」從實驗室到寢室，兩點一線的節奏中，「新冠」成為宋雨桐生活的全部。將滅活病毒培養液濃縮1000倍，製作成冷凍電鏡樣品並在冷凍電鏡下拍照後，她第一次看到新冠病毒的真實模樣。這位「95後」姑娘被嚇哭了，「小小一滴透明液體，在冷凍電鏡下，一下子變成了滿屏密密麻麻的病毒。」她事後回憶，當時的心情喜憂參半：憂的是，病毒濃度如此之高；喜的是，經過連續多日高強度的實驗，終於提純成功了。
頭一個月，李賽團隊採集了100TB新冠病毒結構數據，從中篩選出2294顆病毒顆粒，並從病毒表面挑選出5.5萬個刺突蛋白、病毒內部挑選出2萬個核糖核蛋白複合物。
新冠病毒屬於囊膜病毒，其顯著特點是「千毒千面」，每一顆病毒的模樣都不一樣。形態各異的病毒有何共同點，呈現哪些核心特徵？李賽說，「我們要通過重構，從2000多顆病毒顆粒中，凝練出病毒的典型特點，並繪製出具有代表性的新冠病毒的『大眾臉譜』。」
新冠病毒表面，凸起的「皇冠」模樣的刺突蛋白，是侵入人體細胞的「鑰匙」。
藉助數據，他們解析出處於融合前狀態及融合後狀態的三種不同構象的刺突蛋白結構，由此，新冠病毒的外部「真身」被看得一清二楚：表面凸起的刺突蛋白非常少，平均不到30個，且分布隨機，猶如古代兵器「鏈錘」一般，可在病毒表面自由旋轉甚至遊走。
「這在囊膜病毒中還是首次發現。」李賽分析，這種靈活的特性有利於「鑰匙」及時調整方向，同細胞上更多的「鎖」結合，進而增加侵染細胞機率。這可能是它高傳染性的原因之一。
他們還發現，刺突蛋白表面有66個糖基化修飾，這些糖像盾牌一樣，保護病毒不被免疫識別。
精選2萬顆複合物看清「巢中蛋」
看清病毒外部結構，這一成果足以在國際頂尖期刊發表了。不過，李賽並沒有急於投稿，尋找樣本時施一公院士的慷慨相助、學院領導開設「綠燈」支持冷凍電鏡機時、英偉達公司無償出借價值上百萬元的伺服器……這些雪中送炭的支援，促使他立志向科研的更高峰挺進，「我一定要看到完整的病毒結構！」
所謂完整病毒結構，意味著不僅要看清外部，更要透視內核，而後者才是處女地。
新冠病毒的所有遺傳信息都編碼在其核糖核酸（RNA）上。病毒想要「繁衍」下一代，就必須保護好這根「生命之源」。冠狀病毒的RNA是所有已知RNA病毒中最長的，其直線長度可達自身直徑的100倍。
在病毒內部，名為核糖核蛋白的複合物（RNP），像線軸一樣將RNA有序纏繞，並收納進體內。這種收納如何完成，一直是未解之謎。
收集核糖核蛋白複合物，成為首先要完成的工作。「這些複合物就像串珠一樣密密麻麻，肉眼很難分辨，稍有不慎就有可能把別的蛋白圈進來！」李賽親自上手，和學生一道，手動挑選2萬顆複合物。
複合物到底有何結構特徵？沒有人知道答案，也無從以其他方式驗證。李賽打了一個比方，「這像是在一條孤獨的賽道上，沒人跟你一起跑，你也不知道跑到了哪裡，更不知道終點在哪裡。」而一旦公布錯誤的結構，不僅誤導同行，也將成為自己學術生涯的一個遺憾。
作為有責任心的科研人員，面對這種世界級的科研難題，必須慎之又慎。
他們採取的破解之道是，自己和自己驗證，「通過調整參數和模板，我們用了多種不同的計算方式，都得到了同樣的結果，這樣，我心裡總算有一點自信了，才敢公布這個結構。」
兩個月的忙碌之後，新冠病毒的內部結構終於暴露無遺：大量RNP緊貼囊膜排列，就像骨架一樣支撐著病毒；骨架內，有的複合物貼著囊膜以六聚體的「鳥巢」方式排列，而在病毒的球心位置它們又以正四面體的「金字塔形」方式排列。這是世界範圍內首次「看清」正義單鏈RNA病毒的內部結構。
「核蛋白規則的排列，有助於收納超長RNA；當病毒攻擊宿主後，又能夠有序地把RNA釋放出去，不至於有所缺損，有利於病毒的複製。」李賽分析，這或許是新冠病毒擁有高傳染性的另一個重要原因。
「看清納米級細微生物結構的那一瞬間，如同爬上珠穆朗瑪峰俯瞰世界一樣，讓人興奮，令人神往。」李賽興奮地跟學生感嘆，我們或許是世界上第一個如此真實看清它的團隊。
三天三夜連續奮戰搶寫論文
可惜，這種「一覽眾山小的喜悅」沒持續多久，就被競爭者先發制人的消息擊碎。
李賽清晰地記得，正當自己開始著手撰寫論文時，6月27日、28日和30日，國外三支競爭團隊在4天內分別在bioRxiv預印網站上線3篇重磅文章，相繼揭秘新冠病毒外部的三維結構。
「老師，他們發表的外部結構和數據看起來跟我們的一模一樣……」學生擔憂地跑來報信。這意味著，李賽團隊手中的「籌碼」僅剩最關鍵的一個——透視內核，搶先亮出病毒「真身」。
「當時對我們打擊很大！」李賽從沒有主持過如此重要的課題，「這是我第一次面對這種直接的競爭，就像在戰場上跟敵人拼刺刀一樣。」此時，他面臨兩個選擇：就此放棄，找個小刊物發表；抑或直面挑戰，在3天之內搞定文章，向全世界率先公布新冠病毒的完整結構。
分享真知的渴望和不服輸的勁頭兒，促使他選擇了後者。三天三夜、不眠不休的奮戰後，7月初，他終於寫完文章初稿，而另一項隱性「福利」是，「三天之內，我的體重掉了4斤。」
經過清華大學生命科學學院多名資深教授修改評閱，李賽又對文章做了進一步精細調整，之後相繼給bioRxiv預印網站和《細胞》雜誌投稿。
《細胞》雜誌兩位審稿人意見都特別正面，其中一位稱讚：「這項工作展示了迄今為止我所見過的最完整的新冠病毒形象，這也是使用冷凍電鏡斷層成像方法解析完整顆粒結構的一次絕妙的應用……」
「文章上線前一晚，我幾乎是通宵跟負責我論文的編輯在線修改文章，也深刻感受到頂級刊物的嚴謹和專業。」李賽說。
9月15日，《新冠病毒的全分子結構》一文正式在《細胞》上線，從投稿到發表，僅用了一個半月的時間，李賽說，這種進度是非常罕見的，給這樣的刊物投稿，半年到兩年的改稿期都較為常見。
文章獲得正式接受後，李蘭娟院士打來電話，稱讚李賽團隊「對人類認識傳染病病原做出了新貢獻」。
公開結構數據供全球免費使用
100天解析結構，3天寫完初稿，一個半月投中……面對如此迅速的進展，有人驚嘆，李賽真幸運。其實，高效奮戰的背後，是李賽集12年所學的厚積薄發。
早在2012年，冷凍電鏡斷層成像技術尚屬冷門中的冷門，李賽就開始鑽研這種工具。後來，他不僅掌握了其使用方法，還做出一些技術創新，「我把自創的高通量、高分辨的數據採集及分析技術，與這套流程結合，以前需要一兩年才能完成的工作，現在能縮短至百天左右。」
另外，利用100TB的數據計算結構，需要用到子斷層圖像平均法，李賽說，計算軟體有十多種，每一種都不夠完美，遇到缺陷需要自己查找並修改，「我在多年研究過程中，已經建立了自己的程序庫，裡面包含幾百個程序，能把這些缺陷一一清除。」
課題組成立才兩年，初出茅廬的學生均未經歷過大項目的歷練，李賽把自己形容為新兵訓練營的教官，「既要親自上陣，又要拿出狠勁兒，指揮大家向前衝鋒！」他每天凌晨5點就來到辦公室，每周工作超過120小時，帶著學生一起做實驗，在組會上又以疫情形勢激發青年人的使命感和責任感。而學生們也不甘落後：博士後陳勇讓妻子和孩子回到東北老家，自己留下來參與課題；為了確保安全，解封病毒樣本後的兩周內，團隊成員都不去學校食堂等人員聚集場所，每天吃飯點外賣，並和外賣員全程無接觸；每天從實驗室結束工作後直接回宿舍，不去其他地方逗留。
如今，李賽的辦公桌上，顯眼位置新添了一個球形結構組件，這是他用3D列印製作的放大200萬倍的新冠病毒真實模樣：表面的刺突蛋白清晰可見，分別以粉色、紅色、橙色代表不同的狀態。牆上的彩打圖片，是李賽邀請中東大學團隊設計的新冠病毒藝術構想圖，他說，以前的藝術構想圖，展示的是錯誤的結構信息，容易誤導公眾，我們也藉助自己的科研成果推動科普工作，讓大家看到病毒的最真實模樣。
後續研究也正在推進。他們計劃對病毒進行體外折磨實驗，使之打開。李賽說，我們利用化學方式，加了去垢劑，發現病毒沒有解體，雖然外殼脫落，但是核酸和核糖核蛋白複合物還是聚成病毒的樣子。我們也嘗試物理的方式，在負180℃液氮狀態下極速冷凍後，再把病毒放到37℃至50℃的溫水中解凍，反覆折騰之後，病毒還是完好。
「這病毒確實很皮實！」李賽說，下一步，我們想真正把病毒打開，更加清晰地了解內部的RNA跟核蛋白如何糾纏，蛋白之間如何彼此吸引、形成穩固的結構，「當前，大部分抗病毒或預防病毒的藥物，都是針對病毒表面的刺突蛋白。等進一步弄清內部信息，就能想到辦法組織RNA和核蛋白的結合，這也能為藥物研製和疫苗開發提供新的可能性。
目前，李賽團隊已將新冠病毒高清三維結構上傳至結構生物學的資料庫EMDB（Electron Microscopy Data Bank），供全球科研人員免費下載。他也希望，能和全球科學家一道，為推進新冠病毒後續科學研究、疫苗開發、防疫科普等做出中國學者的貢獻。
編輯：李華山