盡管它們的名字叫巨型病毒，但很難詳細地觀察它們。它們對于傳統的電子顯微鏡來說太大了，而對于用于研究更大樣本的光學顯微鏡來說又太小了。現在，在超低溫高壓電子顯微鏡的幫助下，一項國際合作首次揭示了東京病毒的結構，這是一種巨大的病毒，以2016年發現它的城市命名。

他們在去年12月12日的《Scientific Reports》上發表了他們的研究結果。

“巨型病毒”是物理尺寸特別大的病毒，比小細菌大，基因組比其他病毒大得多，”共同通訊作者Kazuyoshi Murata說，他是日本國立自然科學研究院生命和生命系統探索研究中心(ExCELLS)和國家生理科學研究所的項目教授。“很少有研究詳細揭示了大型二十面體或20面體病毒的衣殼——包裹雙鏈病毒DNA的蛋白質外殼。它們的大小對高分辨率冷凍電子顯微鏡提出了特殊的挑戰，這對數據采集施加了嚴格的限制。”

為了克服這一挑戰，研究人員使用了世界上為數不多的用于生物標本成像的高壓電子顯微鏡(HVEM)設備之一。這種類型的電子顯微鏡加速電壓，理論上增加顯微鏡的功率，這允許更厚的樣品以更高的分辨率成像。在大阪大學特高壓電子顯微鏡研究中心，研究小組對瞬凍東京病毒粒子進行了成像，目標是首次完整地重建單個粒子。

Murata說:“以前沒有報道過生物樣本上的低溫HVEM用于單顆粒分析。對于較厚的樣本，例如東京病毒，其最大直徑為250納米，景深的影響會導致內部焦點轉移，對可達到的分辨率施加硬性限制。加速電壓，或縮短發射電子的波長，可以增加景深，改善厚樣品中的光學條件。”

通過這些調整，研究人員對東京病毒進行了詳細的成像，以闡明整個病毒顆粒的結構。他們以7.7埃的分辨率實現了3D重建，這一分辨率僅比該技術理論上可以達到的分辨率低一點。Murata說，解決方案的結果受到他們能收集到的數據量的限制。

“低溫HVEM目前需要手動收集顯微鏡拍攝的顯微照片，”Murata說。顯微照片是用顯微鏡拍攝的照片。“我們從160張顯微照片中鑒定出1182個顆粒，與其他用低功能顯微鏡成像的巨型病毒的報道相比，這是一個非常小的數字。”

根據Murata的說法，較低的放大倍率會增加每張顯微照片中包含的粒子數量，但放大倍率必須足夠高才能對粒子進行詳細成像。雖然自動獲取顯微照片(通常用于標準冷凍電子顯微鏡)促進了在高倍放大下捕獲的圖像數量的顯著增加，但手動模式允許研究人員在保持更高采樣頻率的同時，保持每個顯微照片更好的粒子計數。

Murata說，即使樣本有限，分辨率略低，研究人員也收集了足夠的信息，比以往任何時候都更清楚地了解巨型病毒顆粒的結構。

Murata說:“冷凍HVEM圖揭示了一個新的衣殼蛋白質網絡，其中包括一個支架蛋白質成分網絡。”他指出，這個支架網絡在二十面體顆粒頂點之間的連接可能決定了顆粒的大小。“二十面體巨型病毒，包括東京病毒，有大而均勻的功能籠子，由有限的成分組成，以保護病毒基因組并感染宿主細胞。我們開始了解這是如何工作的，包括結構的高級功能，以及我們如何能夠應用這種理解。”

Murata說，研究人員計劃實施自動采集軟件，能夠保持他們所需的參數，以成像更多的巨型病毒結構，并發現共同的結構，以更好地了解如何將有限的結構用于多功能生物。

Akane Chihara, Raymond N. Burton-Smith, Naoko Kajimura, Kaoru Mitsuoka, Kenta Okamoto, Chihong Song, Kazuyoshi Murata. A novel capsid protein network allows the characteristic internal membrane structure of Marseilleviridae giant viruses. Scientific Reports, 2022; 12 (1)