科学家首次拍摄出病毒感染健康细胞过程的3D影片

最近，一项由威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）主导的研究创造了 3D 影片的新历史。研究者创造了一部特殊的 3D 影片，记录了病毒准备攻击健康细胞的过程。

这项研究是由亚利桑那州立大学的病毒学教授 Brenda Hogue，以及 Andrew Aquila 和他在斯坦福直线加速器中心（SLAC）的同事合作完成的。研究报告于 8 月 14 日在《自然》杂志的生物科学研究方法分册（Nature Methods）发布。

这项研究对于帮助我们进一步了解细胞内各种生化进程的原理具有重要意义。这样一来，我们就能够更好地治疗各种病毒性疾病。

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制作这部影片的决定性技术突破，要归功于威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）的物理学家。通过结合机器学习、微分几何、图论以及衍射物理中的概念，他们研制的新一代算法可以处理众多混乱的数据并从中重建出一组有序的图像。

研究人员不仅需要最新技术，还需要世界顶尖的设备。X 射线自由电子激光装置（XFEL）是世界上亮度最强、捕捉速度最快的摄像仪器。利用斯坦福直线加速器中心（SLAC）的一台 XFEL，一组国际研究团队收集了数百万张单个病毒处于不同未知形态位置的 “照片” 。

使用这种设备而不是普通摄像仪器的原因是：大部分病毒体积太小，正常光照下无法被拍摄。而 XEFL 中产生的强烈的 X 射线（利用衍射）可以产生纳米级分辨率的粒子“图像”。当 X 射线击中粒子时，射线散射后产生的图案可以作为数据进行进一步处理。

来自威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）的著名教授 Abbas Ourmazd 表示：“在过去的研究中，科学家们需要通过观察分子生化进程的初始状态和最终状态的图像来猜测过程中的变化。过去，我们并不能确切知道从开始到结束中间到底发生了什么。但这项新研究让我们能够观察各种生物体工作的过程。”

当病毒进行自我复制时，它会入侵健康的细胞并将自身的 DNA 释放到细胞体内，以便挟持细胞机体生产病毒的复制体。接下来，大量新产生的病毒会离开细胞并以同样的方式感染其他细胞。

研究人员在分析实验的 3D 影片后发现，病毒感染细胞时会重新排列染色体组并生成一种管状结构来将 DNA 排入细胞中。

“这项研究为了解‘病毒在感染阶段如何变化’提供了新途径。” Hogue 表示。

在此项发现之后，威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）的研究人员还从影片中了解到，染色体重新排列以及管状结构的生成并不是独立的事件，而是一系列同步协调进程中的一部分。

大约 5 年前，威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）的高级研究员 Ahmad Hosseinizadeh（同时也是这项研究报告的第一位作者）开始了可以将 XFEL 产生的噪音极高的图像转化成 3D 图像的算法研究。“过去，人们不相信这项技术能够被实现。”威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）的副教授 Peter Schwander 表示。他认为，接下来通过与在其他领域的科学家的合作，技术研发将不断取得进展。

Schwander 表示：“从 2009 年起，我们就已经开始研发将图像正确排序的算法，这使威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）的研究团队拥有更多优势，但研究过程十分艰辛。我们通过观察这些图像的采集过程并运用了数据科学的概念，才得以渐渐研发出这种算法。”