科學家首次拍攝出病毒感染健康細胞過程的3D影片

最近，一項由威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）主導的研究創造了3D影片的新歷史。研究者創造了一部特殊的3D影片，記錄了病毒準備攻擊健康細胞的過程。

這項研究對於幫助我們進一步了解細胞內各種生化進程的原理具有重要意義。這樣一來，我們就能夠更好地治療各種病毒性疾病。

製作這部影片的決定性技術突破，要歸功於威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）的物理學家。通過結合機器學習、微分幾何、圖論以及衍射物理中的概念，他們研製的新一代演算法可以處理眾多混亂的數據並從中重建出一組有序的圖像。

研究人員不僅需要最新技術，還需要世界頂尖的設備。X射線自由電子激光裝置（XFEL）是世界上亮度最強、捕捉速度最快的攝像儀器。利用斯坦福直線加速器中心（SLAC）的一台XFEL，一組國際研究團隊收集了數百萬張單個病毒處於不同未知形態位置的 「照片」 。

圖片來源：CC0 Public Domain

使用這種設備而不是普通攝像儀器的原因是：大部分病毒體積太小，正常光照下無法被拍攝。而XEFL中產生的強烈的X射線（利用衍射）可以產生納米級解析度的粒子「圖像」。當X射線擊中粒子時，射線散射後產生的圖案可以作為數據進行進一步處理。

來自威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）的著名教授Abbas Ourmazd表示：「在過去的研究中，科學家們需要通過觀察分子生化進程的初始狀態和最終狀態的圖像來猜測過程中的變化。過去，我們並不能確切知道從開始到結束中間到底發生了什麼。但這項新研究讓我們能夠觀察各種生物體工作的過程。」

這項研究是由亞利桑那州立大學的病毒學教授Brenda Hogue，以及Andrew Aquila和他在斯坦福直線加速器中心（SLAC）的同事合作完成的。研究報告於8月14日在《自然》雜誌的生物科學研究方法分冊（Nature Methods）發布。

當病毒進行自我複製時，它會入侵健康的細胞並將自身的DNA釋放到細胞體內，以便挾持細胞機體生產病毒的複製體。接下來，大量新產生的病毒會離開細胞並以同樣的方式感染其他細胞。

研究人員在分析實驗的 3D影片後發現，病毒感染細胞時會重新排列染色體組並生成一種管狀結構來將DNA排入細胞中。

「這項研究為了解『病毒在感染階段如何變化』提供了新途徑。」Hogue表示。

在此項發現之後，威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）的研究人員還從影片中了解到，染色體重新排列以及管狀結構的生成並不是獨立的事件，而是一系列同步協調進程中的一部分。

大約5年前，威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）的高級研究員Ahmad Hosseinizadeh（同時也是這項研究報告的第一位作者）開始了可以將XFEL產生的噪音極高的圖像轉化成3D圖像的演算法研究。「過去，人們不相信這項技術能夠被實現。」威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）的副教授Peter Schwander表示。他認為，接下來通過與在其他領域的科學家的合作，技術研發將不斷取得進展。

Schwander表示：「從2009年起，我們就已經開始研發將圖像正確排序的演算法，這使威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）的研究團隊擁有更多優勢，但研究過程十分艱辛。我們通過觀察這些圖像的採集過程並運用了數據科學的概念，才得以漸漸研發出這種演算法。」

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