盡管它們的名字叫巨型病毒，但很難詳細(xì)地觀察它們。它們對(duì)于傳統(tǒng)的電子顯微鏡來說太大了，而對(duì)于用于研究更大樣本的光學(xué)顯微鏡來說又太小了。現(xiàn)在，在超低溫高壓電子顯微鏡的幫助下，一項(xiàng)國際合作首次揭示了東京病毒的結(jié)構(gòu)，這是一種巨大的病毒，以2016年發(fā)現(xiàn)它的城市命名。

他們?cè)谌ツ?2月12日的《Scientific Reports》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

“巨型病毒”是物理尺寸特別大的病毒，比小細(xì)菌大，基因組比其他病毒大得多，”共同通訊作者Kazuyoshi Murata說，他是日本國立自然科學(xué)研究院生命和生命系統(tǒng)探索研究中心(ExCELLS)和國家生理科學(xué)研究所的項(xiàng)目教授。“很少有研究詳細(xì)揭示了大型二十面體或20面體病毒的衣殼——包裹雙鏈病毒DNA的蛋白質(zhì)外殼。它們的大小對(duì)高分辨率冷凍電子顯微鏡提出了特殊的挑戰(zhàn)，這對(duì)數(shù)據(jù)采集施加了嚴(yán)格的限制。”

為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員使用了世界上為數(shù)不多的用于生物標(biāo)本成像的高壓電子顯微鏡(HVEM)設(shè)備之一。這種類型的電子顯微鏡加速電壓，理論上增加顯微鏡的功率，這允許更厚的樣品以更高的分辨率成像。在大阪大學(xué)特高壓電子顯微鏡研究中心，研究小組對(duì)瞬凍東京病毒粒子進(jìn)行了成像，目標(biāo)是首次完整地重建單個(gè)粒子。

Murata說:“以前沒有報(bào)道過生物樣本上的低溫HVEM用于單顆粒分析。對(duì)于較厚的樣本，例如東京病毒，其最大直徑為250納米，景深的影響會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移，對(duì)可達(dá)到的分辨率施加硬性限制。加速電壓，或縮短發(fā)射電子的波長(zhǎng)，可以增加景深，改善厚樣品中的光學(xué)條件?！?/p>

通過這些調(diào)整，研究人員對(duì)東京病毒進(jìn)行了詳細(xì)的成像，以闡明整個(gè)病毒顆粒的結(jié)構(gòu)。他們以7.7埃的分辨率實(shí)現(xiàn)了3D重建，這一分辨率僅比該技術(shù)理論上可以達(dá)到的分辨率低一點(diǎn)。Murata說，解決方案的結(jié)果受到他們能收集到的數(shù)據(jù)量的限制。

“低溫HVEM目前需要手動(dòng)收集顯微鏡拍攝的顯微照片，”Murata說。顯微照片是用顯微鏡拍攝的照片?！拔覀儚?60張顯微照片中鑒定出1182個(gè)顆粒，與其他用低功能顯微鏡成像的巨型病毒的報(bào)道相比，這是一個(gè)非常小的數(shù)字?！?/p>

根據(jù)Murata的說法，較低的放大倍率會(huì)增加每張顯微照片中包含的粒子數(shù)量，但放大倍率必須足夠高才能對(duì)粒子進(jìn)行詳細(xì)成像。雖然自動(dòng)獲取顯微照片(通常用于標(biāo)準(zhǔn)冷凍電子顯微鏡)促進(jìn)了在高倍放大下捕獲的圖像數(shù)量的顯著增加，但手動(dòng)模式允許研究人員在保持更高采樣頻率的同時(shí)，保持每個(gè)顯微照片更好的粒子計(jì)數(shù)。

Murata說，即使樣本有限，分辨率略低，研究人員也收集了足夠的信息，比以往任何時(shí)候都更清楚地了解巨型病毒顆粒的結(jié)構(gòu)。

Murata說:“冷凍HVEM圖揭示了一個(gè)新的衣殼蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，其中包括一個(gè)支架蛋白質(zhì)成分網(wǎng)絡(luò)?！彼赋?，這個(gè)支架網(wǎng)絡(luò)在二十面體顆粒頂點(diǎn)之間的連接可能決定了顆粒的大小?！岸骟w巨型病毒，包括東京病毒，有大而均勻的功能籠子，由有限的成分組成，以保護(hù)病毒基因組并感染宿主細(xì)胞。我們開始了解這是如何工作的，包括結(jié)構(gòu)的高級(jí)功能，以及我們?nèi)绾文軌驊?yīng)用這種理解。”

Murata說，研究人員計(jì)劃實(shí)施自動(dòng)采集軟件，能夠保持他們所需的參數(shù)，以成像更多的巨型病毒結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)共同的結(jié)構(gòu)，以更好地了解如何將有限的結(jié)構(gòu)用于多功能生物。

Akane Chihara, Raymond N. Burton-Smith, Naoko Kajimura, Kaoru Mitsuoka, Kenta Okamoto, Chihong Song, Kazuyoshi Murata. A novel capsid protein network allows the characteristic internal membrane structure of Marseilleviridae giant viruses. Scientific Reports, 2022; 12 (1)