丙型肝炎影响全球约7100万人，每年约造成40万人死亡。
它会侵入肝脏，可能导致肝脏瘢痕形成，在某些情况下还会引发癌症。
虽然已有治疗方法，但费用高、难以获得，也无法预防再次感染。
在这里，科学家介绍了相关研究如何帮助他们为这种病毒的疫苗设计铺路；人们期待这种疫苗已久。
丙型肝炎病毒（HCV）会导致慢性肝脏感染，可能造成永久性肝脏瘢痕形成，严重时还会引发癌症。它影响全球约7100万人，每年约造成40万人死亡。虽然已有治疗方法可用于治疗HCV相关感染，但费用高、难以获得，也无法预防再次感染。能够帮助预防HCV感染的疫苗，是医学和公共卫生领域一项亟待满足的重要需求。
迄今尚无HCV疫苗的一个重要原因是，科学家还未找到合适的抗原，也就是病毒中能够在人体内触发保护性免疫反应的部分。
数十年的研究已将HCV E1E2确定为最有希望的疫苗候选靶点，它是病毒表面唯一的蛋白质。然而，基于这种蛋白质开发HCV疫苗，受到其结构尚不明确的限制。了解这种蛋白质的结构，是弄清免疫系统如何应对病毒的必要条件。
那么，研究人员如何捕捉一种不断改变形态的病毒上单个蛋白质的结构？
我们是专攻显微成像和疫苗设计的研究人员。借助新技术，我们得以观察这种难以捉摸的蛋白质的分子细节，由此获得有关这种病毒如何运作的重要见解，并为未来的疫苗提供了潜在蓝图。
这就是我们的研究方法。
捕捉形态多变病毒的挑战
难以捕捉HCV E1E2蛋白结构的一个原因是，它既具有柔性，又很脆弱。它经常改变形态，也很容易破损，因此难以纯化。
打个比方，想象一碗浇满番茄酱的意大利面。再想象一下，在碗不断晃动时，试图拍下每一根意大利面，并确保它们在一段时间内位置不变。这很难，对吧？为完整的E1E2蛋白成像就是这种情形。
此外，还有技术障碍。直到最近，现有成像技术在观察微观蛋白质方面仍能力有限。例如，X射线晶体学无法捕捉像HCV这样频繁变化、不断改变形态的分子。此外，其他方法，例如核磁共振波谱，则需要切除蛋白质的大部分结构，或通过化学手段对其进行处理。这会改变蛋白质的生理状态，并可能影响其功能。
因此，要研究E1E2的结构，我们需要一种方法，能够提取并纯化、稳定并固定整个形态多变的蛋白质，使其保持在一种构型中。
如何为蛋白质拍照
冷冻电镜，即冷冻电子显微镜，是一种在低温条件下观察样本的成像技术。在这里，所用温度为氮的沸点：华氏零下320.8度（摄氏零下196度）。在如此低的温度下，冰会迅速冻结，没有时间结晶。这会在目标蛋白质周围形成美丽的玻璃状结构，使研究人员能够不受阻碍地观察每一处结构细节。冷冻电镜所需的蛋白质也很少，因此减少了我们需要纯化的材料量。
冷冻电镜曾获2017年诺贝尔化学奖得主认可，并获得《自然》杂志颁发的2015年“年度方法”奖项。它非常适合在人体血液的水性环境中，以蛋白质的天然状态对生物大分子成像。冷冻电镜对于表征新冠病毒的结构及其变异株也发挥了关键作用。
那么，怎样才能为蛋白质拍照呢？
首先，我们将制造E1E2的遗传密码导入培养皿中的人体细胞，以获得足够的蛋白质供研究使用。纯化蛋白质后，我们将其迅速投入液态乙烷，随后再投入液氮。之所以用液态乙烷冷冻蛋白质，是因为它的沸点高于液氮。这意味着液态乙烷在气化前能够吸收更多热量，使蛋白质比在液氮中冻结得快得多，从而避免结构受损。
蛋白质玻璃化，也就是进入玻璃状冰态后，我们不仅能够观察其整体结构，还能捕捉它在改变形态时呈现的多种不同构型，包括较不稳定的形态。
此时，蛋白质已经准备好接受近距离观察。我们使用的显微镜以聚焦的高能电子束照射样本，并配有一台精密相机，用来检测电子如何从蛋白质表面反弹。这生成了一张二维图像，随后我们通过数学方法将其转换为三维模型。就这样，我们获得了梦寐以求的HCV表面蛋白“特写”。
接下来，我们要确定每个氨基酸，也就是蛋白质的组成单元，在三维空间中的位置。由于每种氨基酸的形状各不相同，我们使用计算机程序在三维图谱中识别每一种氨基酸。这样，我们就能逐个组成单元手动重建蛋白质的高分辨率模型。
用于设计HCV疫苗的新工具
我们绘制的HCV E1E2蛋白三维图谱和模型支持了此前对其结构的研究，同时揭示了新的特征。这些发现将有助于为这种病毒的疫苗设计铺路，而人们期待这种疫苗已久。
例如，我们的结构显示，蛋白质两个主要部分之间的界面由糖和疏水区域稳定。疏水区域会排斥水分子。这形成了蛋白质上的黏性结合位点，使其不致散开，也可能成为保护性抗体和新药物的靶点。
研究人员现在拥有了针对HCV感染设计抗病毒药物和疫苗的工具。
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