顯微鏡的觀察方法-顯微鏡的觀察方法是什么
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病毒通常被稱為“看不見的敵人”，我們無法用肉眼看見它們，甚至在標準光學顯微鏡下也無法看見它們。在這種情況下，研究人員要如何才能知曉它們的存在？了解它們的特征與樣貌呢？
一些生物化學方法會通過尋找病毒的遺傳物質來確認病毒的存在，比如現在用來確認是否感染了SARS-CoV-2（COVID-19的致病病毒）所使用的就是這種方法。但除此之外，生物學家和醫學家在實驗室中還有很多種不同的方法可用來“看見”病毒。
要了解這些方法，我們首先需要了解，病毒究竟有多小。大多數細胞的直徑約為100微米，也就是0.1毫米左右；而病毒的大小約是這個數字的1/1000，平均大約為150納米（0.00015毫米）。
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光學顯微鏡
在標準光學顯微鏡下（10倍放大），健康的人體肺細胞（左）與被病毒感染的細胞之間的區別。| 圖片來源：Grace C Roberts
標準的光學顯微鏡足以讓我們能清楚地看到細胞。然而，由于受到光本身的限制，光學顯微鏡并不能用于觀察病毒，因為它無法顯示任何小于可見光波長一半的事物，而病毒的大小顯然比這要小得多。
盡管無法直接看到病毒，但通過光學顯微鏡，我們可以看到病毒對細胞造成的破壞。這種現象被稱為致細胞病變效應，通過將受感染的和未受感染的細胞進行對比，就可以檢測到病毒的存在。
根據光學顯微鏡對SARS-CoV-2的初步研究來看，SARS-CoV-2能將受感染的細胞融合在一起，形成合胞體——這是一種含有多個細胞核的大細胞。此前，其他幾種呼吸道病毒也曾表現出過這樣的現象。
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免疫熒光法
免疫熒光圖像顯示肺毛發（粉色）、肺細胞核（藍色）和病毒顆粒（綠色）。| 圖片來源：Grace C Roberts
用熒光分子來標記病毒，是一種使病毒可視化的間接方法。當病毒吸收特定的輻射時，就會發出熒光。我們甚至可以用不同的顏色來標記多個對象，比如病毒和細胞成分，這樣一來我們就能同時追蹤多個部分。
接著，研究人員就能通過檢測標記物所發出的熒光，來追蹤病毒進入細胞的位置，以及它們會與什么樣的細胞結構相互作用。這種方法能讓研究人員了解諸如藥物會如何影響病毒的復制，以及不同的毒株具有如何不同的行為等問題。
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超分辨率顯微術
在普通的高分辨率熒光顯微鏡（左）和經過了超分辨率處理（右）的骨癌細胞核圖像。| 圖片來源：Christoph Cremer/Wikimedia Commons
近年來，在熒光顯微鏡領域的一些新的進展導致了超分辨率顯微術的發展，這種技術通過將物理學和計算方法相結合，產生了清晰到可以揭示細胞中的詳盡結構的圖像。
使用這種病毒學技術可以更準確地確定受感染細胞的區域。例如，它可以精確地顯示病毒在細胞內的位置，以及用于復制病毒的是細胞中的哪些特定部分。
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電子顯微術
電子顯微鏡下的SARS-CoV-2病毒顆粒，直徑約在150-200納米之間。| 圖片來源：Liu et al.
到目前為止，我們還沒有提到任何能直接將病毒粒子可視化的技術。而電子顯微鏡就具有這樣的強大功能，它能在納米尺度上生成圖像。電子顯微術會通過向樣品發射電子，然后觀察電子是如何與樣本相互作用來實現這一點。接著，計算機會將這些信息加以解讀，生成圖像。
這使我們能夠直觀地掌握細胞內病毒感染的不同階段。此外，電子顯微術也可以用來顯示整個病毒顆粒，就像圖中所示的那樣。研究人員可以通過對數千個從不同方向生成的顆粒圖像進行計算和組合，勾勒出整個病毒粒子的三維結構，例如圖片中顯示的就是SARS-CoV-2病毒顆粒的三維電子顯微鏡圖像。
電子顯微鏡已被用于確定SARS-CoV-2病毒是如何利用其外部的突起蛋白與細胞相互作用并感染它們的。這樣的研究對于弄清楚病毒是如何進入細胞是非常有用的，由此可以幫助研究人員弄清要如何使用藥物來阻斷它們。
能夠評估病毒顆粒的外部結構，對于確定哪些抗體可以中和病毒來說是一個非常重要的能力，這有助于更精確、更有效的疫苗制備。
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晶體學
諾瓦克病毒衣殼的X射線晶體結構。| 圖片來源：BV Prasad et al
晶體學使我們能夠在原子水平上更清楚地觀察微觀結構。要做到這一點，首先需要確保的是在溶液中懸浮著一個“純正”的病毒樣本，這意味著沒有其他的碎片存在。懸浮液中的液體會蒸發，使剩下的包括病毒在內的固體結晶，它們會以統一的方式排列形成晶體，然后暴露在X射線下。
接著，我們可以用探測器來記錄X射線在結晶樣品中的衍射行為，從而識別出電子在樣品結構中所處的位置。這些信息可被用來構建一個原子尺度的樣品三維結構圖。
與電子顯微鏡一樣，晶體學也能用來確定病毒的結構，如SARS-CoV-2的突起蛋白。了解這些結構，尤其是了解它們會如何與細胞以及抗體相互作用，對于疫苗和藥物的設計與開發至關重要。
撰文：Grace C Roberts （貝爾法斯特女王大學病毒學研究員）
原文標題為“Five techniques we’re using to uncover the secrets of viruses”，于2020年8月26日首發于The Conversation
原文鏈接：https://theconversation.com/five-techniques-were-using-to-uncover-the-secrets-of-viruses-144363
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