На фотографии вирус часто выглядит как идеально очерченный шар с шипами, но это не то, что человек увидит, просто посмотрев в школьный микроскоп. Большинство вирусных частиц имеют размеры порядка десятков или сотен нанометров — близко к пределу или ниже разрешения обычной световой микроскопии. Детальная форма стала доступна благодаря электронным методам и современным способам реконструкции структуры.
При этом «вирус под микроскопом» — не один вид изображения. Отрицательное контрастирование показывает силуэт частицы, тонкий срез — внутреннюю организацию в заражённой клетке, а cryo-electron microscopy может восстанавливать трёхмерную структуру белковых комплексов почти на атомном уровне. Каждый метод отвечает на свой вопрос и создаёт собственные артефакты.
У вируса нет универсальной формы
Минимальная вирусная частица содержит генетический материал — ДНК или РНК — и белковый капсид. У многих вирусов сверху есть липидная оболочка, полученная из мембран клетки хозяина, в которую встроены вирусные белки. Другие вирусы обходятся без оболочки и состоят в основном из генома и капсида.
Капсиды бывают икосаэдрическими, спиральными и более сложными. Бактериофаги могут иметь «головку» с геномом и хвостовой аппарат, напоминающий молекулярный шприц. Поэтому знакомая корона из шипов — всего лишь один частный образ, популярный после пандемии COVID-19, а не общий портрет вирусов.
Почему световой микроскоп обычно не показывает отдельный вирус
Разрешение классического оптического микроскопа ограничено длиной волны света и числовой апертурой. Практически детали меньше примерно двухсот нанометров трудно разделить как отдельные объекты. Некоторые гигантские вирусы приближаются к этому диапазону или превышают его, но большинство привычных вирусов значительно меньше.
Флуоресцентная микроскопия всё же позволяет отслеживать вирусные белки или генетический материал внутри клетки с помощью меток, а методы super-resolution обходят часть дифракционного ограничения. Но яркая точка флуоресценции не обязательно является прямой фотографией формы вириона — часто это локализованный сигнал от помеченной молекулы.
Электронный микроскоп меняет свет на поток электронов
У электронов при рабочих энергиях гораздо меньшая эффективная длина волны, поэтому электронная микроскопия даёт существенно более высокое разрешение. В transmission electron microscopy электроны проходят через тонкий образец; вирусные частицы можно контрастировать тяжёлыми металлами или изучать внутри ультратонких срезов клетки.
Scanning electron microscopy, напротив, лучше показывает рельеф поверхности. Изображения часто раскрашивают после съёмки, потому что исходный электронный сигнал не содержит «естественного цвета». Поэтому цветные микрофотографии вирусов обычно являются научной визуализацией, а не буквальным цветом наночастицы.
Cryo-EM показывает молекулы без тяжёлой фиксации
В криоэлектронной микроскопии образец быстро замораживают в тонком слое стекловидного льда, стараясь сохранить структуры близкими к естественному состоянию. Тысячи или миллионы изображений частиц с разной ориентацией математически объединяют в трёхмерную карту.
Так можно исследовать, как устроены капсид, рецептор-связывающий белок или вирусный фермент, и сравнивать конформации молекул. Нобелевская премия по химии 2017 года была присуждена за развитие cryo-EM для определения структуры биомолекул в растворе — технология стала особенно важна и для вирусологии.
Что изображение может рассказать об инфекции — и чего не может
Форма шипа или капсида помогает понять, как вирус распознаёт клеточный рецептор и как собирается новая частица. Электронная томография может показать стадии сборки в клетке. Но по красивой микрофотографии нельзя определить, насколько вирус опасен для человека или как быстро он распространяется: это свойства всей системы «вирус — хозяин — иммунитет».
Микроскопия поэтому работает вместе с геномикой, биохимией, клеточными экспериментами и эпидемиологией. Изображение отвечает на вопрос «что и где находится», а механизм инфекции требует знать ещё взаимодействия молекул и поведение вируса во времени.
Подготовка образца может менять внешний вид сильнее, чем кажется. Химическая фиксация, обезвоживание, окрашивание тяжёлыми металлами и помещение в вакуум способны сжать или деформировать мембрану. Cryo-EM уменьшает часть этих искажений, быстро замораживая образец, но и там итоговая карта является результатом обработки множества слабых электронных изображений, а не «снимком одним щелчком».
Размер также влияет на то, что считается вирусом на изображении. Диаметр типичного коронавируса порядка сотни нанометров, вирус гриппа сопоставим, а крупные poxvirus и гигантские вирусы заметно больше. Но размеры могут меняться между частицами, особенно у оболочечных вирусов. Поэтому учебный рисунок с идеально одинаковыми сферами удобен для схемы, а не для описания реальной популяции вирионов.
