5种看见病毒的方法

病毒通常被称为“看不见的敌人”，我们无法用肉眼看见它们，甚至在标准光学显微镜下也无法看见它们。在这种情况下，研究人员要如何才能知晓它们的存在？了解它们的特征与样貌呢？

一些生物化学方通过寻找病毒的遗传物质来确认病毒的存在，比如现在用来确认是否感染了SARS-CoV-2（COVID-19的致病病毒）所使用的就是这种方法。但除此之外，生物学家和医学家在实验室中还有很多种不同的方法可用来“看见”病毒。

要了解这些方法，我们首先需要了解，病毒究竟有多小。大多数细胞的直径约为100微米，也就是0.1毫米左右；而病毒的大小约是这个数字的1/1000，平均大约为150纳米（0.00015毫米）。

光学显微镜

在标准光学显微镜下（10倍放大），健康的人体肺细胞（左）与被病毒感染的细胞之间的区别。| 图片来源：Grace C Roberts

标准的光学显微镜足以让我们能清楚地看到细胞。然而，由于受到光本身的限制，光学显微镜并不能用于观察病毒，因为它无法显示任何小于可见光波长一半的事物，而病毒的大小显然比这要小得多。

尽管无法直接看到病毒，但通过光学显微镜，我们可以看到病毒对细胞造成的破坏。这种现象被称为致细胞病变效应，通过将受感染的和未受感染的细胞进行对比，就可以检测到病毒的存在。

根据光学显微镜对SARS-CoV-2的初步研究来看，SARS-CoV-2能将受感染的细胞融合在一起，形成合胞体——这是一种含有多个细胞核的大细胞。此前，其他几种呼吸道病毒也曾表现出过这样的现象。

免疫荧光法

免疫荧光图像显示肺毛发（粉色）、肺细胞核（蓝色）和病毒颗粒（绿色）。| 图片来源：Grace C Roberts

用荧光分子来标记病毒，是一种使病毒可视化的间接方法。当病毒吸收特定的辐射时，就会发出荧光。我们甚至可以用不同的颜色来标记多个对象，比如病毒和细胞成分，这样一来我们就能同时追踪多个部分。

接着，研究人员就能通过检测标记物所发出的荧光，来追踪病毒进入细胞的位置，以及它们会与什么样的细胞结构相互作用。这种方法能让研究人员了解诸如药物会如何影响病毒的复制，以及不同的毒株具有如何不同的行为等问题。

超分辨率显微术

在普通的高分辨率荧光显微镜（左）和经过了超分辨率处理（右）的骨癌细胞核图像。| 图片来源：Christoph Cremer/Wikimedia Commons

近年来，在荧光显微镜领域的一些新的进展导致了超分辨率显微术的发展，这种技术通过将物理学和计算方法相结合，产生了清晰到可以揭示细胞中的详尽结构的图像。

使用这种病毒学技术可以更准确地确定受感染细胞的区域。例如，它可以精确地显示病毒在细胞内的位置，以及用于复制病毒的是细胞中的哪些特定部分。

电子显微术

电子显微镜下的SARS-CoV-2病毒颗粒，直径约在150-200纳米之间。| 图片来源：Liu et al.

到目前为止，我们还没有提到任何能直接将病毒粒子可视化的技术。而电子显微镜就具有这样的强大功能，它能在纳米尺度上生成图像。电子显微术会通过向样品发射电子，然后观察电子是如何与样本相互作用来实现这一点。接着，计算机会将这些信息加以解读，生成图像。

这使我们能够直观地掌握细胞内病毒感染的不同阶段。此外，电子显微术也可以用来显示整个病毒颗粒，就像图中所示的那样。研究人员可以通过对数千个从不同方向生成的颗粒图像进行计算和组合，勾勒出整个病毒粒子的三维结构，例如图片中显示的就是SARS-CoV-2病毒颗粒的三维电子显微镜图像。

电子显微镜已被用于确定SARS-CoV-2病毒是如何利用其外部的突起蛋白与细胞相互作用并感染它们的。这样的研究对于弄清楚病毒是如何进入细胞是非常有用的，由此可以帮助研究人员弄清要如何使用药物来阻断它们。

能够评估病毒颗粒的外部结构，对于确定哪些抗体可以中和病毒来说是一个非常重要的能力，这有助于更精确、更有效的疫苗制备。

晶体学

诺瓦克病毒衣壳的X射线晶体结构。| 图片来源：BV Prasad et al

晶体学使我们能够在原子水平上更清楚地观察微观结构。要做到这一点，首先需要确保的是在溶液中悬浮着一个“纯正”的病毒样本，这意味着没有其他的碎片存在。悬浮液中的液体会蒸发，使剩下的包括病毒在内的固体结晶，它们会以统一的方式排列形成晶体，然后暴露在X射线下。

接着，我们可以用探测器来记录X射线在结晶样品中的衍射行为，从而识别出电子在样品结构中所处的位置。这些信息可被用来构建一个原子尺度的样品三维结构图。

与电子显微镜一样，晶体学也能用来确定病毒的结构，如SARS-CoV-2的突起蛋白。了解这些结构，尤其是了解它们会如何与细胞以及抗体相互作用，对于疫苗和药物的设计与开发至关重要。

撰文：Grace C Roberts （贝尔法斯特女王大学病毒学研究员）

原文标题为“Five techniques we’re using to uncover the secrets of viruses”，于2020年8月26日首发于The Conversation，原文链接：https://theconversation/five-techniques-were-using-to-uncover-the-secrets-of-viruses-144363，中文内容略有编辑，仅供参考，一切内容以原文为准。

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