發(fā)布日期：2017-08-21
最近，一項(xiàng)由威斯康星大學(xué)密爾沃基分校（UWM）主導(dǎo)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(zhǔn)備攻擊健康細(xì)胞的過程。
這項(xiàng)研究是由亞利桑那州立大學(xué)的病毒學(xué)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(bào)告于 8 月 14 日在《自然》雜志的生物科學(xué)研究方法分冊(cè)（Nature Methods）發(fā)布。
這項(xiàng)研究對(duì)于幫助我們進(jìn)一步了解細(xì)胞內(nèi)各種生化進(jìn)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(shù)突破，要?dú)w功于威斯康星大學(xué)密爾沃基分校（UWM）的物理學(xué)家。通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、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(shù)，還需要世界頂尖的設(shè)備。X 射線自由電子激光裝置（XFEL）是世界上亮度最強(qiáng)、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(tái) XFEL，一組國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)收集了數(shù)百萬張單個(gè)病毒處于不同未知形態(tài)位置的 “照片” 。
使用這種設(shè)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(qiáng)烈的 X 射線（利用衍射）可以產(chǎn)生納米級(jí)分辨率的粒子“圖像”。當(dāng) X 射線擊中粒子時(shí)，射線散射后產(chǎn)生的圖案可以作為數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。
來自威斯康星大學(xué)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(xué)家們需要通過觀察分子生化進(jìn)程的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)的圖像來猜測(cè)過程中的變化。過去，我們并不能確切知道從開始到結(jié)束中間到底發(fā)生了什么。但這項(xiàng)新研究讓我們能夠觀察各種生物體工作的過程。”
當(dāng)病毒進(jìn)行自我復(fù)制時(shí)，它會(huì)入侵健康的細(xì)胞并將自身的 DNA 釋放到細(xì)胞體內(nèi)，以便挾持細(xì)胞機(jī)體生產(chǎn)病毒的復(fù)制體。接下來，大量新產(chǎn)生的病毒會(huì)離開細(xì)胞并以同樣的方式感染其他細(xì)胞。
研究人員在分析實(shí)驗(yàn)的 3D 影片后發(fā)現(xiàn)，病毒感染細(xì)胞時(shí)會(huì)重新排列染色體組并生成一種管狀結(jié)構(gòu)來將 DNA 排入細(xì)胞中。
“這項(xiàng)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(xiàng)發(fā)現(xiàn)之后，威斯康星大學(xué)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(jié)構(gòu)的生成并不是獨(dú)立的事件，而是一系列同步協(xié)調(diào)進(jìn)程中的一部分。
大約 5 年前，威斯康星大學(xué)密爾沃基分校（UWM）的高級(jí)研究員 Ahmad Hosseinizadeh（同時(shí)也是這項(xiàng)研究報(bào)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(zhuǎn)化成 3D 圖像的算法研究。“過去，人們不相信這項(xiàng)技術(shù)能夠被實(shí)現(xiàn)。”威斯康星大學(xué)密爾沃基分校（UWM）的副教授 Peter Schwander 表示。他認(rèn)為，接下來通過與在其他領(lǐng)域的科學(xué)家的合作，技術(shù)研發(fā)將不斷取得進(jìn)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(xué)密爾沃基分校（UWM）的研究團(tuán)隊(duì)擁有更多優(yōu)勢(shì)，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(yùn)用了數(shù)據(jù)科學(xué)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(hào) mit-tr）
