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近日，中国工程院副院长、呼吸与危重症医学专家王辰院士在采访中提到，新冠病毒是有可能转成慢性的，像流感一样长期在人间存在的病，对此我们要做好准备。这种情况下，抗病毒药物和相关疫苗的研发就显得尤为重要。西湖大学周强团队用冷冻电镜技术解析ACE2，揭示新冠病毒如何侵入人体。新冠病毒要想侵入人体细胞，必须借助它表面的S蛋白抓住人体细胞膜表面的ACE2蛋白，并与之结合，才能入侵到人体细胞。那么，S蛋白是如何抓住ACE2蛋白的？ACE2蛋白到底什么样？结合的过程是怎样的？西湖大学周强团队的两项最新成果，分别揭示了ACE2蛋白的全长结构，和新冠病毒入侵人体细胞的详细过程。
2月19日，西湖大学周强实验室在科学预印版平台bioRxiv，上线最新研究成果：利用冷冻电镜技术，全球首次成功解析新型冠状病毒受体ACE2的全长结构。
RBD-ACE2-B0AT1 复合物结构图
新冠病毒和SARS病毒一样，都是通过ACE2进入人体细胞的，也就是说，ACE2是新冠病毒侵入人体的关键。2月21日，西湖大学周强实验室在BioRxiv再次发文，解析了新冠病毒S蛋白与ACE2蛋白结合的复合物的三维结构，由此揭开了新冠病毒入侵人体细胞的神秘面纱。对ACE2结构的解析，将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征，对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用。也就是说理解了新冠病毒侵染细胞的机理，可以为药物和疫苗设计提供有力的帮助。2月19日，Science杂志发表了一篇研究论文，科学家首次通过冷冻电镜对新冠病毒 S 蛋白结构进行了解析，创建了S蛋白的3D原子尺度结构图。清晰到原子水平的S蛋白结构，能够帮助新药研发人员们设计和筛选小分子药物，精准地指导疫苗设计和抗病毒药物研发，加速开发进程。
冠状病毒由双层脂质的囊膜组成，包含刺突蛋白（S蛋白）、包膜蛋白（E蛋白）、膜蛋白（M蛋白）以及核衣壳蛋白（N蛋白）。S蛋白就是冠状病毒表面的“皇冠”，位于病毒最外层，与病毒的传染能力相关。S蛋白承担病毒与宿主细胞膜受体结合及膜融合的功能，是宿主中和抗体重要作用位点以及疫苗设计的关键靶点。此前研究人员还不了解新冠病毒S蛋白的详细结构，很多疫苗研发是基于预测的结构，或SARS的S蛋白结构展开的。由于新型冠状病毒与 SARS-CoV 病毒之间有结构同源性，研究人员对两种病毒进行了对比，但是，发现新型冠状病毒的S蛋白与SARS病毒的S蛋白在结构上并不完全相同。
研究人员专门测试了三种用于结合 SARS 病毒 S 蛋白的抗体，发现SARS 病毒的抗体并不能用于新冠病毒, 针对新冠病毒需要重新设计抗体和疫苗。另外该论文指出，新型冠状病毒S蛋白与ACE2的亲和力是SARS病毒的10到 20倍，这可能是新冠病毒在人类之间传播力更强的原因。但是这不代表传染力是SARS的10倍到20倍，只是说有一定相关性，还需要进一步研究。第一，展开潜在药物筛查，发现可与这种刺突蛋白结合并破坏其功能的小分子；第二，设计可以与刺突蛋白结合并抑制其功能的新型蛋白分子或抗体；第三，设计出这种刺突蛋白的变体，例如使其拥有更高表达水平或热稳定性，从而诱发更强的免疫反应，以加快疫苗开发。
冷冻电镜设备 图片来自frederick.cancer.gov大约300多年前，列文虎克和罗伯特·胡克发明了光学显微镜，人类首次用光学透镜窥探到了“细胞级”的微观世界。1930年代，德国科学家恩斯特·鲁斯卡发明了世界上第一台透射电子显微镜。1986年，鲁斯卡被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他在电子显微镜方面所做的贡献。在现代透射电子显微镜下，人们可以看到非常精细的原子结构和细胞内部结构。20世纪70年代，科学家们就提出了冷冻电镜技术的原理、方法以及流程的概念。经过多年的发展这项技术终于臻于成熟，让科学家们能够轻松看清生物分子的结构，实现生物分子“近原子级”的分辨率。冷冻电镜技术的基本原理，是将生物大分子溶液置于电镜载网上形成非常薄的水膜，然后利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。冷冻速度非常快，以至于水膜无法形成晶体，而是形成一层玻璃态的冰。生物大分子就被固定在这层薄冰里。将这样的冷冻样品保持低温放置在透射电子显微镜下观察，从而获得生物大分子的结构，就是冷冻电镜技术。瑞士洛桑大学Jacques Dubochet教授、美国哥伦比亚大学Joachim Frank教授、英国剑桥大学Richard Henderson教授，获得了2017年的诺贝尔化学奖。
左到右依次为Jacques Dubochet、Joachim Frank 、Richard Henderson（来源：www.nobelprize.org）
冷冻电镜技术是一门交叉学科，有人戏称这是一次物理学家为了解决生物学问题而获得的诺贝尔化学奖。我们看到很多领域，未来技术的发展需要生物、物理、化学、数学、计算机、材料、工程等领域的科学家通力合作，冷冻电镜技术现在仍有许多改进和提升的空间，在未来大有可为。目前，生产冷冻电镜的厂商主要是日本电子、日立和美国FEI（2016年被美国赛默飞收购）。在冷冻电镜的市场占有率方面，几乎是FEI一家独大，与冷冻电镜配套的直接电子探测器也主要是美国Gatan公司的K2相机。FEI公司成立于1971年，它的发展历经了多次并购，通过强强联合，使自己的实力越来越强大。1996年：收购美国ElectronScan公司及其”环境扫描(ESEM)”技术；收购位于捷克布尔诺的Delmi公司2002年：FEI收购Atomika (SIMS二次离子质谱仪)2003年：FEI收购Emispec (ESVision)从FEI的发展历史可以看出，并购是一个扩充核心业务、增强企业竞争力的重要策略。总的来说，国外先进电镜设备厂商都经过了几十年的技术积累，设备或技术的研发涉及材料、光学、生物、计算科学、半导体、系统集成和先进制造等多个学科技术领域，中国还有很长的路要走。冷冻电镜在生物学、医学和新药研发等领域发挥着越来越重要的作用，成为研究细胞结构与功能的主要技术手段。尽管冷冻电镜设备非常昂贵，但是中国、欧州和美国等众多国家，都在投入大量资金购买。一般高端冷冻电镜价格都在3000万人民币以上，还不包括需要额外配备的近400万人民币的K2相机。此外，冷冻电镜一年的运行维护保养成本也有300万左右。清华大学、中科院生物物理所、上海蛋白质中心、北京大学、复旦大学、上海科技大学、四川大学、浙江大学等多家高校与科研机构都纷纷引进了高端冷冻电镜。2009年清华大学引进了亚洲第一台冷冻电镜，截止2016年就基于冷冻电镜技术发表了7篇 Cell、Nature、Science 国际顶级期刊文章。据统计，中国目前有各种型号的冷冻电镜超过50台，其中高端冷冻电镜超过27台。
据施一公教授2016年发布的文章“Biological cryo-electron microscopy in China”显示，2008-2016中国内陆科研人员基于冷冻电镜发表的多项代表性成果，共计53篇。中国的科学家们解析了冷冻电镜在染色质组织、免疫反应、离子通道、光合作用、核糖体生物起源、RNA代谢和病毒结构等研究中的应用。尽管冷冻电镜在其它国家也在快速健康的发展，但是中国的增长速度远超过世界平均水平;这一趋势预计会再持续5-10年。众所周知，生物医药和健康产业将是巨大的“增长点”。而药物研发的过程极其漫长，从研发到上市一般都需要10年。治疗白血病的药物研发则经历了近100年。冷冻电镜可以通过低温冷冻技术，观察活的原始样本，进而用于研究致病机，例如发现癌症的致病机理，从而推动癌症等重大疾病的诊断和治疗，极大地缩短制药的时间。未来可期，希望冷冻电镜的应用会大大缩短靶向药物的研发时间，助力中国研发自己的原创药。https://science.sciencemag.org/content/early/2020/02/19/science.abb2507https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pro.3018为什么诺贝尔化学奖经常是生物或物理领域的科学家获得?
