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视频解读:新冠病毒电镜图片如何拍摄与制作?

蓝冠信息网 2020/04/26 13:26:45 点击 420 次
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[导读] 病毒电镜拍摄和制作比较复杂,为了使抽象内容更加容易理解,近日,美国网友邀请两位电镜专家,以视频形式解读了新型冠状病毒电镜(SEM与TEM)图片的制作过程。

蓝冠信息网讯 在疫情抗击过程中,冠状病毒电镜图片解析发挥了重要作用,这些图像帮助科学家观察病毒并解读病毒如何进出宿主细胞。但病毒电镜拍摄和制作过程是比较复杂的,为了使抽象内容更加容易理解,近日,美国网友邀请两位电镜专家,以视频形式解读了新型冠状病毒电镜(SEM与TEM)图片的制作过程。

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目前,新冠疫情在全球范围内仍然呈现蔓延态势,在对抗这种病毒过程中,如果能直接的观察到这种病毒,将对进一步了解病毒有很大帮助。冠状病毒尺寸约为100纳米。在常规光学显微镜无法观察到COVID-19病毒的情况下,电子显微镜此时便发挥了很大作用。那么电镜如何拍摄和处理新冠病毒的照片呢?以下这段精彩视频进行了详细解读(文后附译文)

冠状病毒的大小约为100纳米,而人类可以看到的最小光波长约为400纳米。这就是科学家不能使用常规的光学显微镜进行观察的原因。要观察到这个尺度的病毒,就需要使用波长更短的设备,而电子显微镜的发射的电子波长则完全满足了这样的需求。

为了观察冠状病毒并拍照,科学家使用了两种电子显微镜技术:扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。 SEM扫描样品表面并记录电子反射的信息,这为我们提供了具有深度,亮度和阴影的逼真照片。 TEM则使电子穿过样品,通过样品传递电子,并投射出样品内部结构的横截面。请参见以下的视频截图:

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拍摄图像后,最初图片是黑白的,然后对图片进行着色渲染以提高清晰度(上图)。 TEM和SEM图像对科学家都很重要,因为两种图像共同帮助他们观察病毒并进一步了解其行为。

视频译文大意:

 这就是新型冠状病毒SARS-CoV-2,于2019年末首次出现在人类身上。这是第一张病毒的特写照片,使用了一种非常特殊的成像技术,可以看到在普通显微镜下看不见的微小物体。它们向我们展示了病毒如何在人体内部移动,以及它如何利用这些细胞劫持我们的细胞。该病毒命名源于图片上病毒表面这些尖尖的冠状凸起。这些照片是理解如何战胜病毒的关键。为了解决这个问题,我需要请来两位专家。

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左:Frank;右:Beth Fisher

第一个是我同事Liz的爸爸,Frank。他在美国俄亥俄州立大学教授材料科学和工程。另一位是Beth Fisher。她在美国国家过敏症和传染病研究所(NIAID)的团队创建了这些病毒的最初图像。你会开始注意到,这些图片已经在很多媒体新闻中进行报道(下图)。我认为对很多人来说,就像其他出现的病毒一样,这种病毒有很多神秘之处。

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那么,让我们从了解这些图像是如何产生的开始。你需要知道的第一件事是,冠状病毒非常小,大约只有100纳米。做一个类比,如果你拿出一把尺子,看看其中的一个毫米标记的尺度范围内,你可以在里面放入10000个病毒粒子。它对我们来说是无形的,即使是在标准的光学显微镜下。这是因为人类所能看到的最小波长约为400纳米,这不足以让冠状病毒可见。

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Frank:为了看到这么小的病毒,你需要一个电子显微镜。它和光学显微镜有什么不同呢?电镜使用的是电子,即所发射的粒子的电子,如果将电子从原子中剥离出来,并在一个磁场中加速,以足够的速度快速移动,就可以表现为波一样的运动。这个波长比我们在光学显微镜中使用的光波波长要短的多。

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这样电镜观察的样品尺寸可以比光学显微镜减小了6、7、8、9个数量级。现在你可以看到更小的东西。如果你浏览NIAID制作的冠状病毒电镜图片,你会看到两种不同类型的图像:SEM和TEM。它们是用两种不同类型的电子显微镜拍摄的,一种扫描电子显微镜,或称SEM,扫描样品表面并记录反射回来的电子信息,类似于卫星成像的工作原理。它可以提供摄影类似的逼真的光亮图像,获得样品的基本形貌。拍摄中图片阴影和对象相对大小显示它们的位置以及它们如何在单元格中移动。

透射电子显微镜(TEM)则要深入得多,它通过发射电子来记录样品的内部细节,并投射出样品内部结构的横截面形貌,试图理解结构上发生了什么,这是基础科学研究的一部分。

SEM和TEM图像最初都是黑白图像,为了清晰起见,图片又进行了颜色添加渲染,就像在此SEM图像中一样(下图),其中看到黄色的病毒颗粒从细胞表面出现,以及蓝色和粉红色。

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图像染色前后对比 

当将SEM和TEM配合使用观察时,这些图像可以帮助科学家开始弄清楚冠状病毒是如何工作的。有一些方法可以让他们开始了解细胞如何进入细胞等。

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Beth Fisher:图片中我们能看到什么呢(下图)?这是单个病毒颗粒,您看到的黄色是病毒本身的核心。然后是冠状病毒,冠状病毒得名的地方是它周围的光环,这种冠层是理解病毒如何劫持细胞的关键。病毒周围的突刺蛋白附着在宿主细胞的细胞膜上,然后穿透它。一旦它强行进入。它在宿主细胞周围传播RNA,繁殖,离开,重复,这让我们生病。所以我们可以用抗体之类的东西把这些突增的蛋白质结合起来,进而阻止它们附着并进入细胞,而这正是我们以前用类似的刺状蛋白质击退病毒的方法。

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这是埃博拉病毒的3D渲染效果模型(下图),你可以看到所有在表面的蛋白质,这就是我们所说的刺突蛋白质(不管我们研究的是哪种病毒)。

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这就是HIV艾滋病毒模型(下图)。这是在我们做了冷冻透射电镜之后打印出来的。你可以看到所有这些微小的蛋白质以及它们在表面上的分布方式。这些就是我们在疫苗研发中要瞄准的蛋白质。我们想要把它们锁起来,以使它们被绑住,然后无法粘在细胞表面。

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关于这些图片,有什么是你特别想要与我们的观众分享的吗?或你认为这会对他们有所帮助的?

Beth Fisher:我认为,当你能正面面对你的敌人时,它就会消除一些恐惧因素。我认为这只是理解了它是什么,我们也正在研究病毒在体内的作用,这是可以解决和克服的问题,这些信息是很重要的。

 


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编辑: 杨厉哲
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  • 了解下电镜的工作原理。
    04月27日 06:57:31

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