視頻解讀:新冠病毒電鏡圖片如何拍攝與製作?

儀器信息網訊 在疫情抗擊過程中，冠狀病毒電鏡圖片解析發揮了重要作用，這些圖像幫助科學家觀察病毒並解讀病毒如何進出宿主細胞。但病毒電鏡拍攝和製作過程是比較複雜的，為了使抽象內容更加容易理解，近日，美國網友邀請兩位電鏡專家，以視頻形式解讀了新型冠狀病毒電鏡（SEM與TEM）圖片的製作過程。

目前，新冠疫情在全球範圍內仍然呈現蔓延態勢，在對抗這種病毒過程中，如果能直接的觀察到這種病毒，將對進一步了解病毒有很大幫助。冠狀病毒尺寸約為100納米。在常規光學顯微鏡無法觀察到COVID-19病毒的情況下，電子顯微鏡此時便發揮了很大作用。那麼電鏡如何拍攝和處理新冠病毒的照片呢？以下這段精彩視頻進行了詳細解讀（文後附譯文）：

冠狀病毒的大小約為100納米，而人類可以看到的最小光波長約為400納米。這就是科學家不能使用常規的光學顯微鏡進行觀察的原因。要觀察到這個尺度的病毒，就需要使用波長更短的設備，而電子顯微鏡的發射的電子波長則完全滿足了這樣的需求。

為了觀察冠狀病毒並拍照，科學家使用了兩種電子顯微鏡技術：掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）。 SEM掃描樣品表面並記錄電子反射的信息，這為我們提供了具有深度，亮度和陰影的逼真照片。 TEM則使電子穿過樣品，通過樣品傳遞電子，並投射出樣品內部結構的橫截面。請參見以下的視頻截圖：

拍攝圖像後，最初圖片是黑白的，然後對圖片進行著色渲染以提高清晰度（上圖）。 TEM和SEM圖像對科學家都很重要，因為兩種圖像共同幫助他們觀察病毒並進一步了解其行為。

視頻譯文大意：

 「這就是新型冠狀病毒SARS-CoV-2，於2019年末首次出現在人類身上。這是第一張病毒的特寫照片，使用了一種非常特殊的成像技術，可以看到在普通顯微鏡下看不見的微小物體。它們向我們展示了病毒如何在人體內部移動，以及它如何利用這些細胞劫持我們的細胞。該病毒命名源於圖片上病毒表面這些尖尖的冠狀凸起。這些照片是理解如何戰勝病毒的關鍵。為了解決這個問題，我需要請來兩位專家。

左：Frank；右：Beth Fisher

第一個是我同事Liz的爸爸，Frank。他在美國俄亥俄州立大學教授材料科學和工程。另一位是Beth Fisher。她在美國國家過敏症和傳染病研究所(NIAID)的團隊創建了這些病毒的最初圖像。你會開始注意到，這些圖片已經在很多媒體新聞中進行報導（下圖）。我認為對很多人來說，就像其他出現的病毒一樣，這種病毒有很多神秘之處。

那麼，讓我們從了解這些圖像是如何產生的開始。你需要知道的第一件事是，冠狀病毒非常小，大約只有100納米。做一個類比，如果你拿出一把尺子，看看其中的一個毫米標記的尺度範圍內，你可以在裡面放入10000個病毒粒子。它對我們來說是無形的，即使是在標準的光學顯微鏡下。這是因為人類所能看到的最小波長約為400納米，這不足以讓冠狀病毒可見。

Frank：為了看到這麼小的病毒，你需要一個電子顯微鏡。它和光學顯微鏡有什麼不同呢?電鏡使用的是電子，即所發射的粒子的電子，如果將電子從原子中剝離出來，並在一個磁場中加速，以足夠的速度快速移動，就可以表現為波一樣的運動。這個波長比我們在光學顯微鏡中使用的光波波長要短的多。

這樣電鏡觀察的樣品尺寸可以比光學顯微鏡減小了6、7、8、9個數量級。現在你可以看到更小的東西。如果你瀏覽NIAID製作的冠狀病毒電鏡圖片，你會看到兩種不同類型的圖像：SEM和TEM。它們是用兩種不同類型的電子顯微鏡拍攝的，一種掃描電子顯微鏡，或稱SEM，掃描樣品表面並記錄反射回來的電子信息，類似於衛星成像的工作原理。它可以提供攝影類似的逼真的光亮圖像，獲得樣品的基本形貌。拍攝中圖片陰影和對象相對大小顯示它們的位置以及它們如何在單元格中移動。

透射電子顯微鏡(TEM)則要深入得多，它通過發射電子來記錄樣品的內部細節，並投射出樣品內部結構的橫截面形貌，試圖理解結構上發生了什麼，這是基礎科學研究的一部分。

SEM和TEM圖像最初都是黑白圖像，為了清晰起見，圖片又進行了顏色添加渲染，就像在此SEM圖像中一樣（下圖），其中看到黃色的病毒顆粒從細胞表面出現，以及藍色和粉紅色。

圖像染色前後對比 

當將SEM和TEM配合使用觀察時，這些圖像可以幫助科學家開始弄清楚冠狀病毒是如何工作的。有一些方法可以讓他們開始了解細胞如何進入細胞等。

Beth Fisher：圖片中我們能看到什麼呢（下圖）？這是單個病毒顆粒，您看到的黃色是病毒本身的核心。然後是冠狀病毒，冠狀病毒得名的地方是它周圍的光環，這種冠層是理解病毒如何劫持細胞的關鍵。病毒周圍的突刺蛋白附著在宿主細胞的細胞膜上，然後穿透它。一旦它強行進入。它在宿主細胞周圍傳播RNA，繁殖，離開，重複，這讓我們生病。所以我們可以用抗體之類的東西把這些突增的蛋白質結合起來，進而阻止它們附著並進入細胞，而這正是我們以前用類似的刺狀蛋白質擊退病毒的方法。

這是伊波拉病毒的3D渲染效果模型（下圖），你可以看到所有在表面的蛋白質，這就是我們所說的刺突蛋白質（不管我們研究的是哪種病毒）。

這就是HIV愛滋病毒模型（下圖）。這是在我們做了冷凍透射電鏡之後列印出來的。你可以看到所有這些微小的蛋白質以及它們在表面上的分布方式。這些就是我們在疫苗研發中要瞄準的蛋白質。我們想要把它們鎖起來，以使它們被綁住，然後無法粘在細胞表面。

關於這些圖片，有什麼是你特別想要與我們的觀眾分享的嗎?或你認為這會對他們有所幫助的?

Beth Fisher：我認為，當你能正面面對你的敵人時，它就會消除一些恐懼因素。我認為這只是理解了它是什麼，我們也正在研究病毒在體內的作用，這是可以解決和克服的問題，這些信息是很重要的。」