1月24日，中国国家病原微生物数据库公布了新型冠状病毒的电镜照片。在黑白图片上，一个直径约100纳米的病毒被一个微弱的“花冠”包围着，这就是著名的S-spike蛋白。它们的受体亲和力已被证明比“前辈”——非典病毒更强。
新型冠状病毒武汉株01，病毒种号:CHPC2020.00001NPRC 2020.00001来源:国家病原微生物资源库
除了电子显微镜照片，人工渲染的冠状病毒图片最近也在网上层出不穷，它们的风格大多相似:粗糙逼真的纹理和警示性的配色似乎在提醒人们它们的高危险性。然而，其他人描述的病毒却不同:它们并不冷漠，也不谦逊，就像一朵神秘的花，在秘密花园的荆棘深处悄然开放。
RCSB蛋白质数据库大卫·古德森插图；doi:10.2210/rcsb _ pdb/goodsell-gallery-019
这张图是结构生物学家David Goodsell的水彩作品，本月10日发表在他的博客主页和RCSB蛋白质数据库上。该病毒由多种结构独特的蛋白质组成，在PDB记录了大量的蛋白质类型和结构模型，由全世界像Goodsell这样的科学家上传更新。这幅画主要指的是非典病毒的资料，因为它的资料比较完善，而且新型冠状病毒在结构上与它相似。与我们常见的只展示单个个体的病毒画相比，他的病毒或细胞往往是和周围的环境一起展示的，让人看到他们处于一定的运行状态。
这张照片显示的是一种刚刚进入肺部的冠状病毒。它周围拥挤的环境显示了呼吸细胞分泌的粘液，以及抗体和免疫系统蛋白质。病毒的结构分层清晰展示，大量的RNA隐藏在“花芯”中，而标志性的S-spike蛋白最外层则像花瓣一样紧密排列。与宿主细胞相遇后，它将完全“开放”。本月初，在数据库教育模块PDB-101的“月之分子”栏目中，发布了古塞尔的同一部作品——新型冠状病毒蛋白酶的3D渲染成像——正面看起来像心脏。这个专栏几乎所有的图片都是他做的。
这个“心脏”在病毒所需蛋白质的合成中起着重要作用，因此也是抗病毒药物研究的目标。这幅画的纹理由作者处理，使它看起来像一点手绘的笔画。作者大卫·古德森，RCSB蛋白质数据库。doi:10.2210/rcsb _ pdb/mom _ 2020 _ 2
从细菌到细胞器，甚至病毒颗粒，这些作品都紧紧围绕着古德森的研究内容，这让他成为最重要的分子生物学插图画家之一。起初，他的工作领域是x光晶体学。该技术的基本原理是利用晶体结构中的X射线散射产生三维电子密度图像，进而确定原子的排列组合形式。近年来，它逐渐被应用于分子生物学领域。早在20世纪80年代，古德森就开始尝试将原本用于飞行模拟游戏的cg动画程序与细胞结构的展示相结合，并初步展现了自己的艺术天赋。1987年来到美国斯克里普斯研究所，开始与分子生物成像先驱阿瑟·奥尔森合作。他用计算机研究生物系统的结构和功能，逐渐尝试用笔在活细胞中绘制一些分子图谱。水彩画的基础来自于他小时候跟着爷爷学习绘画的经历。
古德塞尔和他的画，其中许多被许多科学杂志选为封面。来源:科学杂志乔恩·科恩
埃博拉病毒横切面，多种蛋白质交织在一起。浅紫色是包膜，而黄色的RNA基因组在里面隐约可见，而且包裹得很牢固。这张图片获得了2016年的韦尔科姆奖，主要是生物和医学成像。插图作者大卫·古德森，RCSB蛋白质数据库。doi:10.2210/rcsb _ pdb/goodsell-gallery-013
寨卡病毒正在突破血浆分子，与细胞受体相互作用。病毒和细胞大小的关系一目了然。RCSB蛋白质数据库大卫·古德森插图。doi:10.2210/rcsb _ pdb/goodsell-gallery-015
1999年绘制了血清中的艾滋病毒。免疫系统正试图攻击它——一些Y抗体附着在它的表面。斯克里普斯研究所大卫·古德森的插图。doi:10.2210/rcsb _ pdb/goodsell-gallery-002
写之前，古德森会仔细研究要画的结构。研究数据通常通过电子显微镜、X射线晶体学和核磁共振波谱成像获得。“绘制的内容将非常直接，因为数据更新非常快。”分子的重量可能成为绘画确定物体大小和位置的重要依据。他依靠3D软件对模型进行全面观察，首先尝试对模型进行上色。大量手工制作的实体模型也点缀着他的工作室。
冠状病毒图片正在绘制。来源:福布斯
古德森说，细胞可视化过程中最重要的是用简单直观的绘画方法，让这些微观结构一目了然，即使对于非专业人士也是如此。因此，这幅画看起来很复杂，但每个区块单元都很简单，上面没有多余的装饰。作者用许多鲜艳的颜色来区分它们，这使人们注意到它们之间的结合。给每个分子着色是需要更多创造力的地方，因为显微镜下的实体通常不能显示颜色——它们太小了。不同的颜色不仅突出了结构，还创造了画面的深度，使平面图像看起来像一个有深度感的剖面。
获得韦尔科姆奖后，古德森谈到了自己的创作经历。来源:韦尔科姆收藏，YouTube
这提供了一个更科学的视角——在大多数情况下，公众对病毒只是充满了恐惧和厌恶，却缺乏对其“智能和艺术”部分的直观理解。生物和非生物之间的病毒就像高效的小秘密工厂。他们在不断的进化中，逐渐学会了将基本的“零件”和优化的方案组装在一起，成长为世界上最危险、最神秘的“杀手”。在了解如何破解其对健康的威胁的同时，病毒的自组装机制也能给人类带来更多的启发，比如研发生物机器人。
寨卡病毒的3D渲染图像。病毒具有许多几何结构，这也与抗病毒药物的发展密切相关。因为知道病毒衣壳的组成模式就意味着知道如何在“组装”阶段将其破坏。资料来源:RCSB·PDB-101
寨卡病毒的纸质模型，古德森工作室里有很多这样的物品。你可以在PDB-101官网搜索下载这些病毒扩展图，自己制作。资料来源:RCSB·PDB-101
古德森的画拉近了人与知识的距离。“我准确地绘制了病毒，这样人们就可以更多地了解它们的样子，并知道科学家正在寻找击退它们的方法。”以这些画为基础，出版了四本科学书籍，其中最著名的是《图解人生》，这些画经常出现在各种科学期刊的封面、教材和展览上。它们使许多学生、教师、分子生物学家和药物研发者受益，即使它们是纯粹的艺术品，也值得仔细品尝。
《图解人生》封面，主体是大肠杆菌。这本书包含了各种“分子装置”的故事，从人类细胞到细菌和病毒。
大肠杆菌的产地。粗大的管状结构是鞭毛，可以促进细菌的运动。来源:感知之门
巨噬细胞试图扩张自己，吞噬一种细菌。蓝色是巨噬细胞的细胞膜，黄色是血液环境。人体内的每一个地方都是硝烟弥漫的战场。来源:感知之门
神经细胞正在释放神经递质分子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 神经细胞正在释放神经递质分子，与邻近的细胞进行交流，这些细胞就像串联在同一根藤上的花蕾。作者非常擅长在这个生物结构中展现“直播”模式。来源:生物分子建模中心
对于同领域的创作者来说，古德森的画作给了他们更多的灵感。细胞生物学家珍妮特·埃瓦萨是犹他大学分子动画工作室动画实验室的成员。她评价这些作品给自己带来的感受:“计算机图形学通常看起来有点冷，但他的画充满了人文气息，让人们知道科学永远是人类研究的，不是直接抛出的事实，而是基于人脑中合理假设逐步完善的结果。”
动画实验室制作的HIV动画细节生动，明显受到了古德森风格的影响。工作室致力于生物结构的动态可视化，制作了多部短片。来源:犹他大学
这些细致入微的描绘不禁让我想起了另一位撼动20世纪科学绘画领域的大师——海克尔。Heickell描述了放射虫，它是只有针尖大小的真核生物，只能借助显微镜观察外骨骼的复杂结构。
海克尔的作品也需要丰富的创造力和知识储备才能画出难以观察的部分。来源:公共领域评论
现在，古塞尔绘制的细胞甚至病毒已经达到了纳米级别。在科技的加持下，人类不断走向微观世界的深处，观察越来越小的物体，从而更好地了解我们的身体和环境。借助技术，即使在显微镜下，也不可能直接拍摄病毒内部。Goodsell和他在同一领域的同事正在填补这个空的空白，他还说，当有一天人们终于可以通过技术看到那些微观结构的内部时，他就会实现自己的目标。
在Scripps页面上，读者可以亲身体验将HIV病毒与Goodsell创造的“组件”结合的过程。图形的处理让这些组件看起来并没有完全脱离3D纹理，还具有手绘风格。程序可以在中找到
Http://mgldev.scripps.edu/projects/cellPAINT/index.html找到了。快来感受病毒主题的“秘密花园”绘画游戏。
参考文献:
https://www . science mag . org/news/2019/04/meet-科学家-画家-谁变身-致命-病毒-美丽-作品-艺术
https://door of perception . com/2015/12/David-s-goodsell-生命机器/
https://www.zaojiu.com/talks/987http://pdb101.rcsb.org/
http://cbm.msoe.edu/teacherWorkshops/ddtyMaterials.php
https://www.youtube.com/watch? v = f0rpxtjz ple
https://www.interaliamag.org/articles/david-goodsell/
https://animationlab.utah.edu/
https://ccsb.scripps.edu/goodsell/
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