微觀世界的病毒是如何被看見的?絕對想不到它美得令人窒息

2020-09-17分类:科學

撰文|小溪

突然襲來的新冠肺炎疫情讓人類又一次見識了“病毒”的威力。肉眼看不到的病毒作為一個物種,很可能從地球生命誕生之初就已經存在,而人類從意識到有病毒存在看到病毒的模樣弄清病毒的內部結構成分卻經歷了漫長的過程。

20世紀30年代,在光學顯微鏡下始終找不到蹤影的病毒在電子顯微鏡下終於現出了真身(相關連結)。可是科學家們並不滿足於看到幾百奈米尺度的病毒外形,他們期待能更深入地瞭解病毒的內部結構。

隨著科技的發展,各類新型探測、分析技術的出現使科學界探索微觀世界的手段越來越多,病毒的複雜結構也逐漸被揭示出來。你絕對想不到的是:使人致病、致死的微小病毒竟會有著美得令人窒息的內部結構,科學家們是怎樣看到的呢?

■突發的奇想

1939年,科學家們使用新一代透射電子顯微鏡首次觀察到了300奈米長的桿狀菸草花葉病毒,可病毒的內部結構是什麼樣的呢?用什麼來看呢?是德國馬克斯•勞厄(Max Laue)20世紀初的一個“突發奇想”使這個願望的實現有了希望。

先需說說1895年關於X射線的重要發現。德國的威廉·倫琴(Wilhelm Rontgen)在實驗中“偶然”發現了一種波長極短、穿透性很強的射線,這種射線以前無人知曉,被倫琴稱為X射線。因X射線透過人體不同組織時被吸收的程度不同,置於人體後面照相底片接收到的X射線強度不同,底片經過顯像處理後可得到灰度不同的影像。幾個月後,這項技術就被應用於醫學診斷(倫琴1901年被授予首屆諾貝爾物理學獎)。但當時X射線的本質究竟是電磁波還是粒子流並未被揭開。人們一直在尋找檢驗X射線是否為電磁波的方法,但各種實驗嘗試都未能找到有說服力的證據。

德國的馬克斯·勞厄(Max Laue)對X射線的本質問題十分關注。20世紀初,他應邀為《數學科學百科全書》撰寫“波動光學”章節,正在研究有關晶體空間結構的理論。那時,雖然“晶體具有空間點陣結構的假設”還未被實驗所證實,但勞厄是站在原子論一邊的,他反對懷疑原子存在的觀點。

1912年2月,有位學生找勞厄請教自己在研究光波在晶體空間點陣中行為時遇到的問題。當勞厄聽到他說晶體點陣中諧振子(指原子、離子、分子或原子團等)之間的距離約為10 - 8釐米時,立即想起有些學者(認為X射線本質是電磁波的)估算的X射線波長在10- 9釐米左右。就在這一瞬間,勞厄的腦子裡“突發奇想”,這兩個數字幾乎處於同一個數量級啊。如果X射線確實是波長如此短的電磁波,如果晶體中的諧振子確實構成規則的空間點陣,那麼“讓X射線穿越晶體會發生什麼呢?”他設想的結果是:晶體應起到衍射光柵的作用,穿越晶體的X射線應產生類似可見光被人造光柵衍射的干涉圖樣。

威廉•倫琴(Wilhelm Rontgen)、馬克斯•勞厄(Max Laue)

勞厄的設想太大膽了,受到了專家們的質疑,那就只能設法用實驗來驗證了。兩位年輕學者按勞厄的思路設計實驗,將晶體當作三維光柵,讓一束X射線穿過晶體,用照相底片來記錄接收到的結果。經過一段摸索與改進,他們終於取得了成功。當X射線透過某類晶體(晶體中諧振子的間距與X射線波長具有相同數量級)後可以產生如同可見光透過與其波長相當的光柵時發生的衍射現象,由此證實了X射線的波動性(波長極短的電磁波),也證實了晶體的週期性結構,併為精確測定X射線的波長提供了一種方法。

勞厄與合作者利用閃鋅礦晶體獲得的第一批X射線衍射圖樣之一

實驗中置於晶體後面的照相底片記錄了X射線衍射波疊加的結果,分析照相底片上得到的衍射花樣便可確定該晶體的結構。勞厄根據實驗結果還從理論上推算出描述X射線晶體衍射的方程——著名的勞厄方程(勞厄獲1914年諾貝爾物理學獎)。

勞厄關於晶體X射線衍射的發現被阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)稱為“物理學中最漂亮的發現”,使人類對物質結構的認識發生了質的飛躍,它的影響涉及到物理、化學、礦物學、生物學等多個領域。

問題來了,晶體X射線衍射技術與病毒研究能扯上關係麼?那時,科學界連病毒的本質是什麼還沒弄清呢,可幾十年之後卻發生了奇蹟:正是用晶體X射線衍射技術才使病毒的精細結構顯現出來了。

■能結晶麼?

馬提納斯•貝傑林克(Martinus Beijerinck)1898年用實驗證實有菸草花葉病毒存在時,病毒的本質到底是什麼還是個“謎團”。1932年,美國的溫迪·斯坦利(Wendell Stanley)來到普林斯頓大學開始研究菸草花葉病毒。

溫德爾•斯坦利(Wendell Stanley)(

儘管當時並不知道菸草花葉病毒到底是什麼樣的,斯坦利從詹姆斯·薩姆納(James Sumner)的實驗結果受到了啟發。薩姆納花多年時間從刀豆粉中分離、提純獲得了一種結晶酶(屬生物化學史上首次),從而證明了酶是一種蛋白質(一切生命活動都離不開蛋白質)。

病毒會不會也是一種蛋白質呢?斯坦利搜尋了約一噸重的患有重度花葉病的菸草葉,採用與貝傑林克類似的方法,將患病菸草葉搗爛、榨汁、多次精細過濾,分離出菸草花葉病毒後採用了約翰•諾斯羅普(John Northrop)研發的化學結晶技術嘗試著讓菸草花葉病毒結晶。

功夫不負有心人,1935年,斯坦利終於離析成功,他觀察到微小的細針形晶體開始生長,慢慢長成乳白色的薄片,最終獲得了一種極細的類似水晶棒形狀的菸草花葉病毒晶狀體。將這種晶狀體放置多日後再溶解在水中仍能使菸草染病。

詹姆斯•薩姆納(James Sumner)、約翰•諾斯羅普(John Northrop)

菸草花葉病毒是第一個被成功結晶的病毒,斯坦利的發現說明病毒能在細胞內進行自我複製,這是生命體定義的一個關鍵性判據,對於瞭解生命的本質有極為重要的意義。當時,科學界對病毒是生命體還是非生命體的爭論十分激烈,斯坦利的實驗結果受到科學界的質疑,好在不到一年,就有其他科學家的實驗證實了他的發現。(斯坦利與詹姆斯•薩姆納、約翰•諾斯羅普分享了1946年諾貝爾化學獎)

1936年,有兩位英國科學家透過進一步的研究發現:病毒中95%是蛋白質外殼,另外5%是長條狀的核酸(脫氧核糖核酸DNA或核糖核酸RNA)。1939年在新一代透射電子顯微鏡下首次看到的菸草花葉病毒,就是將斯坦利獲得的菸草花葉病毒晶體放入純淨水裡溶解後觀察到的。

■美得令人窒息

斯坦利的研究成果為後來用X射線照射菸草花葉病毒晶體,解析出菸草花葉病毒的精細結構打下了堅實基礎。不過,真正實現這個目標已是20年後了。

1953年4月25日,美國的詹姆斯·沃森(James Watson)和英國的弗朗西斯·克里克(Francis Crick)在《Nature》上發表了題為“Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”論文,描述了DNA的雙螺旋結構以及自我複製機制。這項研究成果被認為是20世紀最重要的科學成就之一。

這項重要成果的獲得也有英國倫敦大學國王學院的莫里斯·威爾金斯(Maurice Wilkins)及羅莎琳•富蘭克林(Rosalind Franklin)的重要貢獻(克里克、沃森與威爾金斯分享了1962年諾貝爾生理學與醫學獎)。

詹姆斯•沃森(James Watson)、弗朗西斯•克里克(Francis Crick)

1951年,威爾金斯在一次學術會議上展示了他在實驗中獲得的結晶DNA的X射線衍射照片,沃森就是在這次會議上得到的靈感。沃森與克里克從富蘭克林1952年5月拍攝的一張清晰的DNA的X射線衍射照片(51號照片)給出的資訊中得到了極大啟示,照片顯示的衍射模式幫助他們釐清思路,計算出螺旋大小以及結構的相關資料,為最終解出DNA雙螺旋結構提供了關鍵線索。

莫里斯•威爾金斯(Maurice Wilkins)、羅莎琳•富蘭克林(Rosalind Franklin)

著名的51號照片:DNA的X射線衍射影象

富蘭克林在實驗室負責用X射線晶體衍射技術進行菸草花葉病毒及小兒麻痺等病毒結構的研究。她以自己獨特的思維為X射線晶體衍射實驗設計了更多的實驗方法,不斷完善DNA的X射線衍射圖譜並進行相關的數學解析。

1955年,富蘭克林的菸草花葉病毒結構研究取得重大進展,她用X射線晶體衍射技術拍攝出清晰的菸草花葉病毒X射線衍射圖,在此基礎上解析出菸草花葉病毒結構。她認為菸草花葉病毒應是個空心管,RNA嵌在蛋白質之中。除菸草花葉病毒之外,富蘭克林還研究了侵蝕土豆、番茄、豌豆等多種農作物的病毒以及脊髓灰質炎病毒等。可惜如此有才華的富蘭克林1958年4月因病去世,年僅37歲。她未來及發表的菸草花葉病毒RNA是單鏈螺旋的假設在她去世後得到了實驗的證實。

富蘭克林拍攝的菸草花葉病毒X射線衍射圖

1958年10月,在比利時首都布魯塞爾舉辦的世界博覽會(第二次世界大戰後的第一次世博會)上,基於富蘭克林解析得到的菸草花葉病毒結構而製作的大模型在國際科學館展出。觀眾們被此模型震撼,絕對想不到,給菸草種植者帶來重大災難,僅300奈米長的桿狀菸草花葉病毒竟然具有美得令人窒息的細微結構。

1958年布魯塞爾世博會上展示的菸草花葉病毒模型

■新的突破

富蘭克林去世後,英國生物化學家阿倫·克魯格(Aron Klug)接替她負責病毒結構的研究。

克魯格創造性地將X射線衍射晶體分析與電子顯微鏡成像技術相結合。先用電子顯微鏡從不同的角度拍攝晶體,得到一系列不同角度的電子顯微照片,但這種顯微照片只是二維影象,再利用X射線衍射技術對每一幅顯微影象進行X射線衍射分析,經資料處理後可獲得物質結構精確的三維影象。這個處理過程充滿了挑戰,涉及到最繁雜的數學分析,但克魯格最終取得了成功。這項技術後來被稱為“電子顯微三維重構技術(Electron Microscopy 3D Reconstruction)”。

阿倫•克魯格(Aron Klug)

20世紀60年代,克魯格用這種獨創的技術巧妙地構建出菸草花葉病毒的整體結構:該病毒由2130個蛋白質亞基構成的外鞘形成了具有20個面的“環形”,而核糖核酸(RNA)則鑲嵌在蛋白質中。

克魯格獲得的第一張菸草花葉病毒三維重建影象

克魯格的發明意義重大,透過這種技術人們能夠對無數種類的蛋白質、病毒、染色體以及其他的生物物質的結構和功能進行研究。這一突破性的技術不僅為生物領域帶來重要的新發現,同時也大大促進了固體物理、金屬物理和材料科學領域的發展。有意思的是,克魯格發明的這項技術首先在化學領域得到了肯定,1982年克魯格被授予諾貝爾化學獎。

隨著科學技術的發展,病毒的三維重建影象能如此清晰且顯露出迷人的美,而科學家們仍然沒有滿足,他們期待還能更深入地瞭解病毒複製、致病的過程。

還有沒有更先進的技術來探索微觀世界的奧秘?

科學家們仍然在努力。

注:本文所有圖片均來源於網路

标签:#資訊

可能感興趣