单分子物理学和单分子生物学

单分子物理学和单分子生物学

自生物膜构型从20世纪90年代进入抽象的数学研究以来，在这个领域开展研究的物理学家开始把眼睛盯向分子生物学的更深层次——生物大分子的研究，这也是DNA与蛋白质被纳入软物质或软凝聚态研究范围的原因。

▲DNA

这两种分子最简单的物理模型，是把它们看成柔性弹性高分子聚合物。四十年代，化学家曾把高分子链的曲率平方作为聚合物链的弹性自由能，提出所谓的虫链模型。自从50年代DNA双螺旋结构被发现后，为说明DNA扭结拓扑结构，数学家怀特为闭合带的环绕与扭结拓扑结构提出的计算公式，便被当成拉格朗日乘子加到虫键模型的弹性自由能上，构成DNA的弹性自由能。这个模型在分析DNA的实验，特别是其拓扑结构发生变化的实验，得到深刻的应用。

1971年，Ⅰ型和Ⅱ型拓扑酶的发现是这个模型的成功范例。但这个模型只在“粗粒化”（即拓扑结构）上描述生物大分子DNA的结构。到八十年代后期，基于光的力学效应和激光冷却技术，发明了光镊技术，人们可以对单个DNA分子施以皮牛顿（10^－12牛）级的力作用。因此，在近几年，Nature和Science刊登出许多论文，报道单个DNA分子在光镊拉力作用下的非线性弹性拉伸应变实验结果。这为研究单个DNA分子构型提供了实验基础，从而逐渐成为一门软物质凝聚态物理中的新学科——单分子生物学或单分子物理学。

生物大分子的自由能是由kBT来表征，这里kB是玻尔兹曼常数，T是温度（一般是室温）。生物大分子的空间构型的尺度是在纳米量级，这就容易理解对生物大分子的作用力必须是皮牛顿级的。单分子生物学与单细胞力学也可以称为皮牛顿力学，这也是从事激光冷却的诺贝尔物理学奖获得者朱棣文被吸引到单分子生物学的实验研究中的原因。

有了这些实验研究作基础，研究软物质凝聚态的理论物理学家，正在紧锣密鼓地展开比虫链模型更深入的生物大分子理论模型的研究。中国科学院理论物理研究所一部分研究生与博士后也不失时机地加入这个国际竞争，在Physical Review等刊物上发表一系列关于DNA分子模型的研究论文。他们最近发表在1999年5月31日出版的《物理评论决报》（Physical Review Letters）上的关于DNA非线性弹性应变的论文，给出了几乎与近年发表在Science等杂志的实验曲线都符合得很好的理论曲线！

除DNA外，蛋白质折叠也是当前单分子生物物理学最热门的课题之一。理论生物物理学家把组成蛋白质的20种氨基酸分为亲水和疏水两部分，把它们无数种随机构型挑出来，使亲水部分尽量暴露在结构的表面（以利于与水接触），把疏水部分尽量藏于结构内部，这就获得了蛋白质折叠的物理途径——用蒙特卡罗方法确定给定氨基酸序列的蛋白质折叠结构。在这方面的研究中，美国洛克菲勒大学物理与生物交叉研究中心的中国青年留学生李浩教授，做出很优秀的开创性工作，被海峡两岸的理论生物物理工作者所重视。

生命系统的天然生物材料，为适应各种功能和环境而构成了复杂的多样性。其复杂性是传统的天然材料如金属、陶瓷等无法比拟的。经过生物化学几十年的研究，现在已发现，其错综复杂的结构是由几种基本化合物构成的。这几种化合物就是水、组成DNA和RNA的核耷酸（4种）、组成蛋白质的氨基酸（20种）、糖和生物矿物（如骨头）等。

生物材料的复杂性，主要表现在这几种基本化合物自组装方式的多样性。研究它们的分级和自组装结构的机理，是软物质科学的中心任务，也是物理与生命科学交叉、凝聚态物理向新世纪发展转型的重要方向。中国理论物理学界已开始重视这个发展趋势，由原来研究非线性科学的一部分人率先转到这个尚待开发的处女地，开拓了一些新领域，取得了一定的成果。有的研究方向，如基因信息学的研究，则已深入到与生物学界同一方向的研究密不可分的境界，这是相当可喜的。