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他的画笔，通往病毒世界的“秘密花园”

2020-03-09 19:15

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

1月24日，中国国家病原微生物资源库发表了电子显微镜下的新型冠状病毒照片。黑白的画面上，直径100纳米左右的病毒四周围绕着隐隐约约的“花冠”，也就是大名鼎鼎的S突刺蛋白。它们的受体亲和性已经被论证要强于那令我们耳熟能详的“前辈”——SARS病毒。

新型冠状病毒武汉株01，毒种编号：CHPC2020.00001; NPRC 2020.00001来源：国家病原微生物资源库(中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所)

除了电镜照片，冠状病毒的人工渲染图片最近在网上也层出不穷，而风格大多相似：粗粝逼真的质感与充满警示性的配色似乎都在提醒人们它们的高度危险性。不过，也有人笔下的病毒显得不一样：不冰冷，不张扬，就像秘密花园荆棘密布的深处一朵静静开放的神秘之花。

Illustration by David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank;doi: 10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-019

这幅图是结构生物学家大卫·古德赛尔（David Goodsell）的水彩作品，于本月10日发布在他的博客主页，以及RCSB蛋白质数据库（RCSB Protein Data Bank，PDB）中。病毒由多种结构独特的蛋白组成，在PDB中就记录了海量的蛋白质类型和结构模型，由世界各地像古德赛尔这样的科学家上传与更新。这次绘画参考的主要是SARS病毒的数据，因其信息比较完善，而新型冠状病毒与之在结构上是相似的。与我们常见的只展现单一个体的病毒画相比，他笔下的病毒或细胞时常会与周围的环境一同展示，让人看到它们在运作的某种状态。

这幅画表现了一个刚刚进入肺部的冠状病毒，周遭拥挤的环境显示着呼吸细胞分泌的粘液，以及其中的抗体和免疫系统蛋白。病毒的结构被清晰地分层展示出来，其“花蕊”中藏有大量RNA，而最外层标志性的S突刺蛋白就像紧密排布的花瓣。与宿主细胞相遇后，它将彻底“开放”。这个月初，在数据库的教育模块PDB-101的“每月分子”（Molecule of the Month）栏目中，发布的同样是古德赛尔的作品，新型冠状病毒蛋白酶的3D渲染成像——正面看上去就像一颗心。这个栏目中的图像几乎都由他所作。

这颗“心”在合成病毒所需蛋白中起到了重要作用，所以也是抗病毒药物研究的标靶。作者对本图的质感处理让它看上去也带一点手绘笔触的感觉。by David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank. doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2020_2

从细菌到细胞器，乃至病毒颗粒，这些作品紧密围绕着古德赛尔的研究内容，也使他成为了当今非常重要的分子生物插画家之一。起初，他的工作领域是X射线晶体学。这项技术的基本原理是利用X射线在晶体结构中的散射来生成三维的电子密度图像，进而可以确定原子的排布与组合形式，近年逐渐开始常用于分子生物学领域。早在上世纪80年代，古德赛尔就已经开始试着用原本用于飞行模拟游戏的电脑图形程序与展示细胞结构做一些有趣的结合，并初步展现出艺术天赋。1987年，他来到美国Scripps研究所并开始与分子生物图像先驱亚瑟·奥尔森（Arthur Olson）合作，用计算机研究生物系统结构与功能的同时也逐渐尝试用笔绘制一些活细胞中的分子图。水彩绘画的基础则来自小时候他跟随祖父的学画经历。

古德赛尔和他的画，很多作品已经被多部科学期刊选为封面。来源：Jon Cohen，Science Mag

埃博拉病毒的横截面，多种蛋白质密密麻麻地交织在一起。浅紫色的是包膜，而最里面能隐约看到黄色的RNA基因组，它们被牢牢包裹起来。这幅图让作者获得了2016年的惠康奖（Wellcome Trust Award），这是一个主要针对生物与医学影像的奖项。Illustrationby David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank. doi:10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-013

寨卡病毒（红色）正在血浆分子中突围，与一个细胞（绿色）发生受体相互作用。病毒与细胞的大小关系一目了然。Illustration by David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank. doi:10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-015

绘制于1999年的血清中的艾滋病毒。免疫系统正在尝试攻击它——一些Y型抗体正附在它表面。Illustration by David S.Goodsell, The Scripps Research Institute. doi:10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-002

动笔之前，古德赛尔会仔细研究要画的结构。研究数据通常是由电子显微镜、X射线晶体学和核磁共振波谱学成像所获得的。“画出来的内容即时性会很强，因为数据更新非常迅速。”一个分子的重量都可能成为作画的重要依据，来确定物体的大小与位置。他依靠3D软件对模型进行全面观察，并先在模型上尝试着色。大量手工制作的实体模型也把他的工作室点缀得缤纷多彩。

正在上色中的冠状病毒图。来源：Forbes

古德赛尔表示，在细胞可视化过程中最关键的是要运用一种简洁、直观的作画方法让这些微型结构变得一目了然，哪怕是非专业者也能看得清晰。所以，画作看起来复杂，但其中的每一个块状单元都是简单的，上面没有多余的修饰，作者用多种明快的色彩将它们区分开来，让人的关注点得以落在它们之间的组合方式上。为每个分子上色是尤其需要多发挥一些创造力的地方，因为显微镜下的实体通常显示不出颜色——它们太小了。深浅不一的色彩不仅凸显了结构，也制造了画面的深度，这让平面的图像看上去是有纵深感的切面。

获得惠康奖后，古德赛尔谈论自己的创作心得。来源：Wellcome Collection, YouTube

这提供了一种更科学的视角——多数情况下大众对于病毒只是充满恐惧和厌恶，而对于它“智慧而富有艺术感”的部分缺乏直观的了解。介于生物与非生物之间的病毒，就像高效的小小秘密工厂。它们在不断演化中逐渐学会用最优化的方案把基础“零件”有效地组装在一起，并成长为世界上最危险诡谲的“杀手”。在了解怎样破解它们对健康的威胁的同时，病毒的自组装机制也能为人类带来更多启发，比如研制生物机器人等。

寨卡病毒的3D渲染图像。病毒有许多种几何结构，这也与研发抗病毒药物息息相关。因为了解病毒衣壳的组成模式就意味着能够知道如何在“组装”阶段就破坏它。来源：RCSB PDB-101

寨卡病毒的纸质模型，这样的物品在古德赛尔的工作室也有很多。可以在PDB-101官网检索并下载这些病毒展开图自己动手制作。来源：RCSB PDB-101

古德赛尔的画拉近了人与知识之间的距离。“我把病毒确切地画出来，让人们更了解它们样子的同时也能够知道，科学家们正切实地在寻找击退它们的方法。”基于这些画作已经有四本科学书籍问世，其中最为知名的是《图解生命》，而在各类科学期刊封面、教材和展览中，也能常常看到这些画。它们让许许多多的学生、教师、分子生物学家和药物开发者受益，哪怕是作为单纯的艺术品欣赏，也值得细细品鉴一番。

《图解生命》封面，主体是大肠杆菌。书中收录了从人体细胞到细菌、病毒等各类“分子装置”的故事。

大肠杆菌的局部。粗壮的像管道一样的结构是鞭毛，它能推动细菌运动。来源：The Door of Perception

巨噬细胞（左）正在努力延展自己，吞噬一个细菌（右下）。蓝色的是巨噬细胞的细胞膜,黄色部分是血液环境。人体内的每一处都是硝烟弥漫的战场。来源：The Door of Perception

神经细胞正在释放神经递质分子（黄色）与邻近的细胞进行交流，这些细胞就像串联在同一株藤蔓上的花苞。作者很擅长展示这种生物结构内的 “直播”模式。来源：Center for Bio Molecular Modeling

对同领域的创作者来说，古德赛尔的画给了他们更多灵感。细胞生物学家简妮特·伊娃萨（Janet Iwasa）是犹他大学分子动画工作室Animation Lab的成员，她如此评价这些作品给她带来的感受：“计算机制图通常显得有些冰冷，但他的画充满人文气息的，让人们知道科学始终是人类研究的，不是一个直接抛出的事实，而是基于人脑中的合理假设逐渐完善的成果。”

Animation Lab所做的HIV动画细节生动，显然也受到了古德赛尔风格的一些影响。工作室致力于生物结构的动态可视化，已经出品了多部短片。来源：University of Utah

这些一笔一画细致的描绘不禁令我联想到另一位撼动了20世纪科学绘画领域的大师——海克尔（Ernst Haeckel）。海克尔描绘的是放射虫，它们是只有针尖大小的真核生物，只能借助显微镜来观察外骨骼的复杂结构。

海克尔的作品，同样需要丰富的创造力和知识储备来把难以观察的部分画出来。来源：The Public Domain Review

现在，古德赛尔绘制的细胞乃至病毒已经达到了纳米层级。在技术的加持下，人类正在不断地走向微观世界的深处，观察越来越小的物体，从而更加了解我们的身体与所处的环境。虽然有技术的帮助，但目前即便在显微镜下也不能直接拍摄到病毒内部的样子。古德赛尔和同领域工作者正填补了这个空缺，而他也表示，当人们终于有一天能够通过技术看到那些微型结构的内部之时，他也就完成目标了。

在一个Scripps的页面上，读者可以亲自体验使用古德赛尔创作的“组件”组合成HIV病毒的过程。对于图形的处理让这些组件看上去既不完全脱离3D的质感又有手工绘制的风格。程序可以在

http://mgldev.scripps.edu/projects/cellPAINT/index.html找到（部分浏览器可能不支持，chrome可运行）。来感受一下病毒主题的“秘密花园”绘画游戏吧。