發(fā)布日期：2017-08-21

最近，一項由威斯康星大學密爾沃基分校（UWM）主導的研究創(chuàng)造了 3D 影片的新歷史。研究者創(chuàng)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。研究報告于 8 月 14 日在《自然》雜志的生物科學研究方法分冊（Nature Methods）發(fā)布。

這項研究對于幫助我們進一步了解細胞內(nèi)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。

制作這部影片的決定性技術突破，要歸功于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，他們研制的新一代算法可以處理眾多混亂的數(shù)據(jù)并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）的一臺 XFEL，一組國際研究團隊收集了數(shù)百萬張單個病毒處于不同未知形態(tài)位置的 “照片” 。

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(chǎn)生的強烈的 X 射線（利用衍射）可以產(chǎn)生納米級分辨率的粒子“圖像”。當 X 射線擊中粒子時，射線散射后產(chǎn)生的圖案可以作為數(shù)據(jù)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(tài)和最終狀態(tài)的圖像來猜測過程中的變化。過去，我們并不能確切知道從開始到結束中間到底發(fā)生了什么。但這項新研究讓我們能夠觀察各種生物體工作的過程。”

當病毒進行自我復制時，它會入侵健康的細胞并將自身的 DNA 釋放到細胞體內(nèi)，以便挾持細胞機體生產(chǎn)病毒的復制體。接下來，大量新產(chǎn)生的病毒會離開細胞并以同樣的方式感染其他細胞。

研究人員在分析實驗的 3D 影片后發(fā)現(xiàn)，病毒感染細胞時會重新排列染色體組并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(fā)現(xiàn)之后，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并不是獨立的事件，而是一系列同步協(xié)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(chǎn)生的噪音極高的圖像轉化成 3D 圖像的算法研究。“過去，人們不相信這項技術能夠被實現(xiàn)。”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(fā)將不斷取得進展。

Schwander 表示：“從 2009 年起，我們就已經(jīng)開始研發(fā)將圖像正確排序的算法，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(yōu)勢，但研究過程十分艱辛。我們通過觀察這些圖像的采集過程并運用了數(shù)據(jù)科學的概念，才得以漸漸研發(fā)出這種算法。”

原文檢索

《Now showing: Researchers create first 3-D movie of virus in action》

來源：DeepTech深科技（微信號 mit-tr）