?1月24日，中國國家病原微生物資源庫發(fā)表了電子顯微鏡下的新型冠狀病毒照片。黑白的畫面上，直徑100納米左右的病毒四周圍繞著隱隱約約的“花冠”，也就是大名鼎鼎的S突刺蛋白。它們的受體親和性已經(jīng)被論證要強于那令我們耳熟能詳?shù)摹扒拜叀薄猄ARS病毒。

新型冠狀病毒武漢株01，毒種編號：CHPC2020.00001; NPRC 2020.00001來源：國家病原微生物資源庫(中國疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所)

除了電鏡照片，冠狀病毒的人工渲染圖片最近在網(wǎng)上也層出不窮，而風(fēng)格大多相似：粗糲逼真的質(zhì)感與充滿警示性的配色似乎都在提醒人們它們的高度危險性。不過，也有人筆下的病毒顯得不一樣：不冰冷，不張揚，就像秘密花園荊棘密布的深處一朵靜靜開放的神秘之花。 

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

這幅圖是結(jié)構(gòu)生物學(xué)家大衛(wèi)·古德賽爾（David Goodsell）的水彩作品，于本月10日發(fā)布在他的博客主頁，以及RCSB蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（RCSB Protein Data Bank，PDB）中。病毒由多種結(jié)構(gòu)獨特的蛋白組成，在PDB中就記錄了海量的蛋白質(zhì)類型和結(jié)構(gòu)模型，由世界各地像古德賽爾這樣的科學(xué)家上傳與更新。這次繪畫參考的主要是SARS病毒的數(shù)據(jù)，因其信息比較完善，而新型冠狀病毒與之在結(jié)構(gòu)上是相似的。與我們常見的只展現(xiàn)單一個體的病毒畫相比，他筆下的病毒或細(xì)胞時常會與周圍的環(huán)境一同展示，讓人看到它們在運作的某種狀態(tài)。

這幅畫表現(xiàn)了一個剛剛進(jìn)入肺部的冠狀病毒，周遭擁擠的環(huán)境顯示著呼吸細(xì)胞分泌的粘液，以及其中的抗體和免疫系統(tǒng)蛋白。病毒的結(jié)構(gòu)被清晰地分層展示出來，其“花蕊”中藏有大量RNA，而最外層標(biāo)志性的S突刺蛋白就像緊密排布的花瓣。與宿主細(xì)胞相遇后，它將徹底“開放”。這個月初，在數(shù)據(jù)庫的教育模塊PDB-101的“每月分子”（Molecule of the Month）欄目中，發(fā)布的同樣是古德賽爾的作品，新型冠狀病毒蛋白酶的3D渲染成像——正面看上去就像一顆心。這個欄目中的圖像幾乎都由他所作。

這顆“心”在合成病毒所需蛋白中起到了重要作用，所以也是抗病毒藥物研究的標(biāo)靶。作者對本圖的質(zhì)感處理讓它看上去也帶一點手繪筆觸的感覺。by David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank. doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2020_2

從細(xì)菌到細(xì)胞器，乃至病毒顆粒，這些作品緊密圍繞著古德賽爾的研究內(nèi)容，也使他成為了當(dāng)今非常重要的分子生物插畫家之一。起初，他的工作領(lǐng)域是X射線晶體學(xué)。這項技術(shù)的基本原理是利用X射線在晶體結(jié)構(gòu)中的散射來生成三維的電子密度圖像，進(jìn)而可以確定原子的排布與組合形式，近年逐漸開始常用于分子生物學(xué)領(lǐng)域。早在上世紀(jì)80年代，古德賽爾就已經(jīng)開始試著用原本用于飛行模擬游戲的電腦圖形程序與展示細(xì)胞結(jié)構(gòu)做一些有趣的結(jié)合，并初步展現(xiàn)出藝術(shù)天賦。1987年，他來到美國Scripps研究所并開始與分子生物圖像先驅(qū)亞瑟·奧爾森（Arthur Olson）合作，用計算機研究生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的同時也逐漸嘗試用筆繪制一些活細(xì)胞中的分子圖。水彩繪畫的基礎(chǔ)則來自小時候他跟隨祖父的學(xué)畫經(jīng)歷。

古德賽爾和他的畫，很多作品已經(jīng)被多部科學(xué)期刊選為封面。來源：Jon Cohen，Science Mag

埃博拉病毒的橫截面，多種蛋白質(zhì)密密麻麻地交織在一起。淺紫色的是包膜，而最里面能隱約看到黃色的RNA基因組，它們被牢牢包裹起來。這幅圖讓作者獲得了2016年的惠康獎（Wellcome Trust Award），這是一個主要針對生物與醫(yī)學(xué)影像的獎項。Illustrationby David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank. doi:10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-013

寨卡病毒（紅色）正在血漿分子中突圍，與一個細(xì)胞（綠色）發(fā)生受體相互作用。病毒與細(xì)胞的大小關(guān)系一目了然。Illustration by David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank. doi:10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-015

繪制于1999年的血清中的艾滋病毒。免疫系統(tǒng)正在嘗試攻擊它——一些Y型抗體正附在它表面。Illustration by David S.Goodsell, The Scripps Research Institute. doi:10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-002

動筆之前，古德賽爾會仔細(xì)研究要畫的結(jié)構(gòu)。研究數(shù)據(jù)通常是由電子顯微鏡、X射線晶體學(xué)和核磁共振波譜學(xué)成像所獲得的。“畫出來的內(nèi)容即時性會很強，因為數(shù)據(jù)更新非常迅速?！币粋€分子的重量都可能成為作畫的重要依據(jù)，來確定物體的大小與位置。他依靠3D軟件對模型進(jìn)行全面觀察，并先在模型上嘗試著色。大量手工制作的實體模型也把他的工作室點綴得繽紛多彩。

正在上色中的冠狀病毒圖。來源：Forbes

古德賽爾表示，在細(xì)胞可視化過程中最關(guān)鍵的是要運用一種簡潔、直觀的作畫方法讓這些微型結(jié)構(gòu)變得一目了然，哪怕是非專業(yè)者也能看得清晰。所以，畫作看起來復(fù)雜，但其中的每一個塊狀單元都是簡單的，上面沒有多余的修飾，作者用多種明快的色彩將它們區(qū)分開來，讓人的關(guān)注點得以落在它們之間的組合方式上。為每個分子上色是尤其需要多發(fā)揮一些創(chuàng)造力的地方，因為顯微鏡下的實體通常顯示不出顏色——它們太小了。深淺不一的色彩不僅凸顯了結(jié)構(gòu)，也制造了畫面的深度，這讓平面的圖像看上去是有縱深感的切面。

獲得惠康獎后，古德賽爾談?wù)撟约旱膭?chuàng)作心得。來源：Wellcome Collection, YouTube

這提供了一種更科學(xué)的視角——多數(shù)情況下大眾對于病毒只是充滿恐懼和厭惡，而對于它“智慧而富有藝術(shù)感”的部分缺乏直觀的了解。介于生物與非生物之間的病毒，就像高效的小小秘密工廠。它們在不斷演化中逐漸學(xué)會用最優(yōu)化的方案把基礎(chǔ)“零件”有效地組裝在一起，并成長為世界上最危險詭譎的“殺手”。在了解怎樣破解它們對健康的威脅的同時，病毒的自組裝機制也能為人類帶來更多啟發(fā)，比如研制生物機器人等。

寨卡病毒的3D渲染圖像。病毒有許多種幾何結(jié)構(gòu)，這也與研發(fā)抗病毒藥物息息相關(guān)。因為了解病毒衣殼的組成模式就意味著能夠知道如何在“組裝”階段就破壞它。來源：RCSB PDB-101

寨卡病毒的紙質(zhì)模型，這樣的物品在古德賽爾的工作室也有很多?？梢栽赑DB-101官網(wǎng)檢索并下載這些病毒展開圖自己動手制作。來源：RCSB PDB-101

古德賽爾的畫拉近了人與知識之間的距離?！拔野巡《敬_切地畫出來，讓人們更了解它們樣子的同時也能夠知道，科學(xué)家們正切實地在尋找擊退它們的方法?！被谶@些畫作已經(jīng)有四本科學(xué)書籍問世，其中最為知名的是《圖解生命》，而在各類科學(xué)期刊封面、教材和展覽中，也能常?？吹竭@些畫。它們讓許許多多的學(xué)生、教師、分子生物學(xué)家和藥物開發(fā)者受益，哪怕是作為單純的藝術(shù)品欣賞，也值得細(xì)細(xì)品鑒一番。

《圖解生命》封面，主體是大腸桿菌。書中收錄了從人體細(xì)胞到細(xì)菌、病毒等各類“分子裝置”的故事。

大腸桿菌的局部。粗壯的像管道一樣的結(jié)構(gòu)是鞭毛，它能推動細(xì)菌運動。來源：The Door of Perception

巨噬細(xì)胞（左）正在努力延展自己，吞噬一個細(xì)菌（右下）。藍(lán)色的是巨噬細(xì)胞的細(xì)胞膜,黃色部分是血液環(huán)境。人體內(nèi)的每一處都是硝煙彌漫的戰(zhàn)場。來源：The Door of Perception

神經(jīng)細(xì)胞正在釋放神經(jīng)遞質(zhì)分子（黃色）與鄰近的細(xì)胞進(jìn)行交流，這些細(xì)胞就像串聯(lián)在同一株藤蔓上的花苞。作者很擅長展示這種生物結(jié)構(gòu)內(nèi)的 “直播”模式。來源：Center for Bio Molecular Modeling

對同領(lǐng)域的創(chuàng)作者來說，古德賽爾的畫給了他們更多靈感。細(xì)胞生物學(xué)家簡妮特·伊娃薩（Janet Iwasa）是猶他大學(xué)分子動畫工作室Animation Lab的成員，她如此評價這些作品給她帶來的感受：“計算機制圖通常顯得有些冰冷，但他的畫充滿人文氣息的，讓人們知道科學(xué)始終是人類研究的，不是一個直接拋出的事實，而是基于人腦中的合理假設(shè)逐漸完善的成果。”

Animation Lab所做的HIV動畫細(xì)節(jié)生動，顯然也受到了古德賽爾風(fēng)格的一些影響。工作室致力于生物結(jié)構(gòu)的動態(tài)可視化，已經(jīng)出品了多部短片。來源：University of Utah

這些一筆一畫細(xì)致的描繪不禁令我聯(lián)想到另一位撼動了20世紀(jì)科學(xué)繪畫領(lǐng)域的大師——海克爾（Ernst Haeckel）。海克爾描繪的是放射蟲，它們是只有針尖大小的真核生物，只能借助顯微鏡來觀察外骨骼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

?？藸柕淖髌?，同樣需要豐富的創(chuàng)造力和知識儲備來把難以觀察的部分畫出來。來源：The Public Domain Review

現(xiàn)在，古德賽爾繪制的細(xì)胞乃至病毒已經(jīng)達(dá)到了納米層級。在技術(shù)的加持下，人類正在不斷地走向微觀世界的深處，觀察越來越小的物體，從而更加了解我們的身體與所處的環(huán)境。雖然有技術(shù)的幫助，但目前即便在顯微鏡下也不能直接拍攝到病毒內(nèi)部的樣子。古德賽爾和同領(lǐng)域工作者正填補了這個空缺，而他也表示，當(dāng)人們終于有一天能夠通過技術(shù)看到那些微型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部之時，他也就完成目標(biāo)了。

在一個Scripps的頁面上，讀者可以親自體驗使用古德賽爾創(chuàng)作的“組件”組合成HIV病毒的過程。對于圖形的處理讓這些組件看上去既不完全脫離3D的質(zhì)感又有手工繪制的風(fēng)格。程序可以在 

http://mgldev.scripps.edu/projects/cellPAINT/index.html找到（部分瀏覽器可能不支持，chrome可運行）。來感受一下病毒主題的“秘密花園”繪畫游戲吧。

References：

https://www.sciencemag.org/news/2019/04/meet-scientist-painter-who-turns-deadly-viruses-beautiful-works-art

https://doorofperception.com/2015/12/david-s-goodsell-the-machinery-of-life/

https://www.zaojiu.com/talks/987

http://pdb101.rcsb.org/

http://cbm.msoe.edu/teacherWorkshops/ddtyMaterials.php

https://www.youtube.com/watch?v=f0rPXTJzpLE

https://www.interaliamag.org/articles/david-goodsell/

https://animationlab.utah.edu/

https://ccsb.scripps.edu/goodsell/

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