700 化学通报2014年第77卷第7期 http://www.hxtb.org 荧光染料方面取得很多喜人的研究成果。庄物物理化学研究取得了诸多具有国际水平和影响 小威多年致力于发展超高分辨光学成像技术,最的科研成果 近实现了神经元细胞中由肌动蛋白等组成的轴突 以谢晓亮为主任的北京大学生物动态光学成 复合结构的超高分辨光学成像,给出了前所未闻像中心是一个以生物物理化学为主攻方向的科研 的轴突蛋白质复合体结构。这一成果将对神机构。自2010年成立以来,发展迅速,已经取得 经元的功能研究乃至整个神经科学产生革命性的了一系列科研成果。基于单个精子细胞全基因组 影响 测序所进行的精子基因突变规律的研究是由谢晓 为了克服荧光成像需要标记的弱点,人们在亮领导的哈佛大学和北京大学生物动态光学成像 寻找各种无标记显微成像技术。谢晓亮发展的相中心的团队联合完成的。谢晓亮、白凡、王洁 干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和受激拉曼散射等将最新的单细胞全基因组测序技术用于单个循 SRS)显微镜是典型的代表。近年来,他们发展环肿瘤细胞的拷贝数变异研究,为深入了解癌症 出新型的“光谱剪裁SHS”技术,以区分不同类型的发生、发展及转移提供了新的精确数据与思 的脂类分子。利用SRS技术,他们对模式生物路叫。最近,谢晓亮汤富酬、乔杰等对单个人卵 线虫的脂肪调控基因进行了筛选。他们还将细胞的测序研究不仅揭示了人类胚胎发育的细 这一方法进一步发展,通过双波长成像,无需标记节,同时还大大促进了人工辅助生殖技术与产前 而得到与传统苏木精一伊红染色可比拟的辨别肿 遗传疾病筛查的进一步发展。黄岩谊搭建起 瘤与正常组织的脑组织高分辨图像,对于临床应多色受激拉曼散射显微镜,实现了无标记地对文 用具有重要的指导价值向。 昌鱼脊索的三维化学组分分解成像,辅助阐释了 利用量子力学或分子动力学理论对生物分子这一脊索动物的生理结构特点。别构效应常 体系进行模拟是生物物理化学研究的重要组成部 见于酶活性的调控中。谢晓亮、孙育杰、苏晓东、 分。随着计算机硬件的不断更新,该领域取得了 长足的进展。一个标致性的事件是2013年诺葛颢、高毅勤研究组协同合作,通过单分子荧光以 贝尔化学奖授予 Karplus, Levitt和 Warshel三人 及分子动力学模拟等手段证实了DNA也具有別 以表彰他们在“为复杂分子系统创立多尺度模 构效应。这一新定义的DNA基本性质不但在物 型”方面所作出的贡献。定量表征有机小分子与理上非常有趣,而且有重要的生理意义叨。赵新 生物大分子的相互作用是生物体系分子识别研究生等对荧光相关光谱(FCS)技术给予改进和完 中的一个基础理论问题,在药物分子设计等领域昔,提出了扩散延迟的荧光相关光谱 中也具有十分明确的应用价值。自20世纪80年(dFC)方法圆,极大地扩展了FCS技术的时间 代以来,生物物理化学家们发展了各种理论方法观测窗口。葛颢与合作者们将非平衡定态理论应 来定量计算蛋白配体结合自由能,对于蛋白配用于分子马达、随机共振、单分子酶动力学以及磷 体亲合性打分函数的研究也一直是一个热点叫。酸化去磷酸化信号通路等问题,他还与人合作 统计物理,特别是随机过程理论的发展及在证明了在已知有限步平均统计量的约束下,由 生命体系中的应用,是生物物理化学前沿之一。 Maximum caliber原理得出的随机过程其实就是 例如, Lander应用简单的马尔科夫模型来描述具马尔科夫过程,从第一原理出发证明了马尔科夫 有同样基因突变的癌细胞在不同表型间的转移现过程的合理性,为在统计物理中以马尔科夫过程 象,预言了任何一种表型的细胞亚群一定时间后为核心的随机热力学和统计物理的研究提供了某 最终都会到达同一种定态,以及任何其他细胞表种理论支撑。高毅勤等有针对性地探讨了共 型都有可能转移回癌症干细胞表型; Schilling溶质对蛋白质在水溶液中的溶解度和蛋白质结构 和Nie合作,利用同时具有时空随机性的数学模形成的影响。通过一系列工作对已经存在超过 型研究了斑马鱼的基因表达边界的锐化问题,提个世纪的困扰着物理化学和生物化学界的 出了一种噪声诱导的锐化机制。 Hofmeister序列提供了一个简单、统一、可由实验 2国内取得了具有国际水平和影响直接验证的分子水平的理论模型 徐平勇和徐涛发展了一系列可逆光激活新型 的成果 荧光蛋白meos和性能优异的新型光转换荧 在相关领域科学工作者的努力下,我国的生光蛋白mEos3mn,可很好地用于超高分辨光学成 21994-2014ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net荧光染料方面取得很多喜人的研究成果［5］。庄 小威多年致力于发展超高分辨光学成像技术，最 近实现了神经元细胞中由肌动蛋白等组成的轴突 复合结构的超高分辨光学成像，给出了前所未闻 的轴突蛋白质复合体结构［6］。这一成果将对神 经元的功能研究乃至整个神经科学产生革命性的 影响。 为了克服荧光成像需要标记的弱点，人们在 寻找各种无标记显微成像技术。谢晓亮发展的相 干反斯托克斯拉曼散射( CAＲS) 和受激拉曼散射 ( SＲS) 显微镜是典型的代表。近年来，他们发展 出新型的“光谱剪裁 SＲS”技术，以区分不同类型 的脂类分子［7］。利用 SＲS 技术，他们对模式生物 线虫的脂肪调控基因进行了筛选［8］。他们还将 这一方法进一步发展，通过双波长成像，无需标记 而得到与传统苏木精—伊红染色可比拟的辨别肿 瘤与正常组织的脑组织高分辨图像，对于临床应 用具有重要的指导价值［9］。 利用量子力学或分子动力学理论对生物分子 体系进行模拟是生物物理化学研究的重要组成部 分。随着计算机硬件的不断更新，该领域取得了 长足的进展［10］。一个标致性的事件是 2013 年诺 贝尔化学奖授予 Karplus，Levitt 和 Warshel 三人， 以表彰他们在“为复杂分子系统创立多尺度模 型”方面所作出的贡献。定量表征有机小分子与 生物大分子的相互作用是生物体系分子识别研究 中的一个基础理论问题，在药物分子设计等领域 中也具有十分明确的应用价值。自 20 世纪 80 年 代以来，生物物理化学家们发展了各种理论方法 来定量计算蛋白-配体结合自由能，对于蛋白-配 体亲合性打分函数的研究也一直是一个热点［11］。 统计物理，特别是随机过程理论的发展及在 生命体系中的应用，是生物物理化学前沿之一。 例如，Lander 应用简单的马尔科夫模型来描述具 有同样基因突变的癌细胞在不同表型间的转移现 象，预言了任何一种表型的细胞亚群一定时间后 最终都会到达同一种定态，以及任何其他细胞表 型都有可能转移回癌症干细胞表型［12］; Schilling 和 Nie 合作，利用同时具有时空随机性的数学模 型研究了斑马鱼的基因表达边界的锐化问题，提 出了一种噪声诱导的锐化机制［13］。 2 国内取得了具有国际水平和影响 的成果 在相关领域科学工作者的努力下，我国的生 物物理化学研究取得了诸多具有国际水平和影响 的科研成果。 以谢晓亮为主任的北京大学生物动态光学成 像中心是一个以生物物理化学为主攻方向的科研 机构。自 2010 年成立以来，发展迅速，已经取得 了一系列科研成果。基于单个精子细胞全基因组 测序所进行的精子基因突变规律的研究是由谢晓 亮领导的哈佛大学和北京大学生物动态光学成像 中心的团队联合完成的［2］。谢晓亮、白凡、王洁 等将最新的单细胞全基因组测序技术用于单个循 环肿瘤细胞的拷贝数变异研究，为深入了解癌症 的发生、发展及转移提供了新的精确数据与思 路［14］。最近，谢晓亮、汤富酬、乔杰等对单个人卵 细胞的测序研究不仅揭示了人类胚胎发育的细 节，同时还大大促进了人工辅助生殖技术与产前 遗传疾病筛查的进一步发展［15］。黄岩谊搭建起 多色受激拉曼散射显微镜，实现了无标记地对文 昌鱼脊索的三维化学组分分解成像，辅助阐释了 这一脊索动物的生理结构特点［16］。别构效应常 见于酶活性的调控中。谢晓亮、孙育杰、苏晓东、 葛颢、高毅勤研究组协同合作，通过单分子荧光以 及分子动力学模拟等手段证实了 DNA 也具有別 构效应。这一新定义的 DNA 基本性质不但在物 理上非常有趣，而且有重要的生理意义［17］。赵新 生等对荧光相关光谱( FCS) 技术给予改进和完 善［18，19］，提 出 了扩散延迟的荧光相关光谱 ( ddFCS) 方法［20］，极大地扩展了 FCS 技术的时间 观测窗口。葛颢与合作者们将非平衡定态理论应 用于分子马达、随机共振、单分子酶动力学以及磷 酸化去磷酸化信号通路等问题［21］，他还与人合作 证明了在已知有限步平均统计量的约束下，由 Maximum caliber 原理得出的随机过程其实就是 马尔科夫过程，从第一原理出发证明了马尔科夫 过程的合理性，为在统计物理中以马尔科夫过程 为核心的随机热力学和统计物理的研究提供了某 种理论支撑［22］。高毅勤等有针对性地探讨了共 溶质对蛋白质在水溶液中的溶解度和蛋白质结构 形成的影响。通过一系列工作对已经存在超过一 个世 纪 的 困 扰 着 物 理 化 学 和 生 物 化 学 界 的 Hofmeister 序列提供了一个简单、统一、可由实验 直接验证的分子水平的理论模型［23 ～ 25］。 徐平勇和徐涛发展了一系列可逆光激活新型 荧光蛋白 mGeos［26］和性能优异的新型光转换荧 光蛋白 mEos3［27］，可很好地用于超高分辨光学成 · 007 · 化学通报 2014 年 第 77 卷 第 7 期 http: / /www． hxtb． org