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太酷了!3D打印告诉你病毒到底长什么样
文章来源:    发布时间:2017-05-02    【字号:

  作者:高丁(中科院武汉病毒所) 

  摄影:肖宇宙(中科院武汉病毒所) 

  编辑策划:Virologica 

  
 

  看不见,摸不着,却能让植物、动物和人生病,还能快速传染引发可怕疫情的病毒到底长什么样,你知道么?

 

 

  病毒模型组成的太阳系。
 

  利用最新的3D打印技术,中国科学院武汉病毒研究所由中科院科普项目提供支持,利用病毒结构生物学的科研成果,制作了几种有代表性的病毒模型,复原了病毒结构的真实形貌,为大家了解病毒提供了最直观生动的材料。下面就来一起欣赏一下大自然和设计师们的杰作吧!

  

  病毒的发现

  人类发现的第一个病毒是烟草花叶病毒(TMV),引起烟草的花叶病,是一种单链RNA病毒。1886年,在荷兰工作的德国人麦尔把患有花叶病的烟草植株的叶片加水研碎,取其汁液注射到健康烟草的叶脉中,能引起花叶病,证明这种病是可以传染的。

 

 

  被烟草花叶病毒感染的叶片和病毒的负染电镜照片

  

  通过对叶子和土壤的分析,麦尔指出烟草花叶病是由细菌引起的。1892年,俄国的伊万诺夫斯基重复了麦尔的试验,进一步发现患病烟草植株的叶片汁液通过细菌过滤器后还能引发健康的烟草植株发生花叶病,但伊万诺夫斯基将其解释为是由于细菌产生的毒素而引起。1898年,荷兰细菌学家贝杰林克同样证实了麦尔的观察结果。他把烟草花叶病株的汁液置于琼脂凝胶块的表面,发现感染烟草花叶病的物质在凝胶中以适度的速度扩散,而细菌仍滞留于琼脂的表面。贝杰林克指出引起烟草花叶病的致病因子有三个特点:1,能通过细菌过滤器;2,仅能在感染的细胞内繁殖;3,在体外非生命物质中不能生长。根据这几个特点他提出这种致病因子不是细菌,而是一种新的物质,称为“有感染性的活的流质”,并取名为病毒,拉丁名叫“Virus”。神奇的病毒“诞生”了!几乎是同时,德国细菌学家勒夫勒和费罗施发现引起牛口蹄疫的病原也可以通过细菌滤器,从而再次证明伊万诺夫斯基和贝杰林克的重大发现。

   

  代表性的病毒模型

  1. 烟草花叶病毒(Tobacco mosaic virus, TMV) 

  烟草花叶病毒长杆状,长约300纳米,直径18纳米,核衣壳蛋白呈螺旋状排列,核酸为单链RNA。烟草花叶病毒可侵染30科310多种植物,尤其是烟草及其他茄科植物,引起烟草花叶病等病害,受害植株叶上出现花叶症状,生长不良,叶畸形。TMV在世界范围内广泛分布,我国山东、河北、山西、四川、北京、上海等地均有报道发现。TMV通过病苗与健苗摩擦或农事操作再侵染,另外蝗虫、烟青虫等咀嚼式口器的昆虫也可传播TMV。

  3D模型展示了烟草花叶病毒的部分结构,蓝色为病毒衣壳蛋白,紫色是遗传物质RNA,整体具有螺旋排列的规则结构,呈现长杆状。
 

  

  2. 脊髓灰质炎病毒(Poliovirus) 

  脊髓灰质炎病毒常侵犯中枢神经系统,损害脊髓前角运动神经细胞,导致肢体松弛性麻痹,多见于儿童,故又名小儿麻痹症。大家小时候都吃过糖丸,就是脊髓灰质炎病毒疫苗,由于长期广泛得接种疫苗,我国脊髓灰质炎病毒已经得到很好的控制,发病率大大降低。  

  脊髓灰质炎病毒属于微小核糖核酸(RNA)病毒科。脊髓灰质炎病毒侵犯人体主要通过消化道传播。在电镜下呈球形颗粒相对较小,直径20~30nm,呈立体对称12面体。病毒颗粒中心为单股正链核糖核酸,外围32个衣壳微粒,形成外层衣壳,此种病毒核衣壳体裸露无囊膜。

  

   

 

   人是脊髓灰质炎病毒的唯一天然宿主,这是因为在人细胞膜表面有一种受体,与病毒衣壳上的结构蛋白VP1具有特异的亲和力,使病毒得以吸附到细胞上。

  
 

 

    上图中的长条触角就是细胞受体,可以与病毒表面的结构蛋白结合,促使病毒侵染细胞。 

  
    同时,我们模拟了脊髓灰质炎病毒的自组装结构,通过磁铁,可以将12块独立的病毒结构蛋白组件拼装成完整病毒颗粒。

  

 


 

  3. 乙肝病毒(Hepatitis B virus, HBV) 

  乙型肝炎病毒简称乙肝病毒。是一种DNA病毒,属于嗜肝DNA病毒科。我国的乙肝病毒感染率约60%-70%;乙肝表面抗原携带率约占总人口的7.18%,以此计算,全国约有9300万人携带乙肝病毒,其中慢性乙型肝炎患者约2000万例。

  

  此图为乙肝病毒核衣壳,正二十面体,由核心抗原组成。

  

 

 

  该核衣壳由12个亚基组装而成,每个亚基由5个4聚体组装,每个4聚体由4个核心抗原蛋白组装,共240个核心抗原(HBcAg)。

 

  完整乙肝病毒的最外层由三种乙肝表面抗原(HBsAg,红色)以及囊膜(黄色)组成。 

  

  

    囊膜内部包裹了由核心抗原组装成的核衣壳(HBcAg,白色)。

  

 

  

 

核衣壳内部包裹了病毒的遗传物质DNA(蓝色)和复制基因的DNA聚合酶(紫色)。

  

  乙肝小科普:

  乙型肝炎病毒(HBV)携带者:指HBV表面抗原(HBsAg)阳性,也就是能检测到红色蛋白,但肝功能正常的患者。

  大三阳,小三阳是根据患者HBV血清学标志物(乙肝五项)的不同来划分:  

  1. 大三阳指HBsAg+、HBeAg+、抗-HBc+,也就是能检测到红色蛋白、类似白色蛋白(HBeAg和白色蛋白类似,病毒复制活跃时较多)和白色蛋白的抗体。

  2. 小三阳指HBsAg+、抗-HBe+、抗-HBc+,也就是能检测到红色蛋白、类似白色蛋白的抗体和白色蛋白的抗体。

  可以看出,两者的区别就是HBeAg还是其抗体阳性。一般HBeAg+代表病毒复制活跃,HBV DNA载量较高,因此患者的体液中HBV DNA检测往往也是阳性,传播给别人的风险较高。注:+代表阳性。

  HBsAg、抗-HBs、HBeAg、抗-HBe、抗-HBc为乙肝检测五项。

  抗-HBs和抗-HBc为阳性一般为接种过乙肝疫苗。

 

 

  4. 寨卡病毒(Zika virus, ZIKV) 

  寨卡病毒最近是2015-2016年在巴西出现一次爆发,造成了大量婴儿小头症,引起全球恐慌的一种蚊媒黄病毒。

  

  寨卡病毒病的潜伏期(从接触到出现症状的时间)并不明确,但可能为几天。疾病症状与登革热等其它虫媒病毒感染类似,包括发热、皮疹、结膜炎、肌肉和关节疼痛、浑身虚弱和头痛。这些症状往往较轻,持续2-7天。

  

  寨卡病毒通过受感染的伊蚊属蚊子,主要是热带地区的埃及伊蚊叮咬传播给人。伊蚊一般在白天叮咬,以清晨和傍晚/晚间为高峰期。这种蚊子也传播登革热、基孔肯雅热和黄热病。寨卡病毒还可能存在性传播。目前在调查其它传播方式,如通过输血传播等。

 

  

    寨卡病毒本身并没有太大危害性,80%的成年感染者几乎没有症状,20%的患者也只有轻微感冒发烧等症状,但感染寨卡病毒的孕妇会传播给婴儿,影响婴儿大脑发育,引起小头症。

  

  

    寨卡病毒属于黄病毒科黄病毒属。黄热病毒是人类历史上发现的第一个人类病毒(发现的第一种病毒是烟草花叶病毒),于1900年发现,证实由蚊子传播。

  

  

    寨卡病毒直径50纳米,最外层是组装规则的膜蛋白E(蓝色),内部由脂质膜形成包裹(灰色)。

  

  

    而膜上有小膜蛋白M(青绿色),膜包裹的核心是衣壳蛋白(绿色)与基因组RNA(深蓝)。

 

  病毒艺术

  

登革热病毒,西尼罗河病毒腺病毒,噬菌体(头部),细小病毒,疱疹病毒,乙肝病毒(核衣壳)。 

     

  届时这些3D打印作品将会在中国病毒标本馆面对公众开放展示。欢迎关注并和我们一起探索病毒的奥秘!