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软物质与生物大分子
中国网 | 时间:2006 年3 月13 日 | 文章来源:中国网

(节选)

软物质是当前国际学术界的一个热门话题。中科院物理所研究员王鹏业在《2006科学发展报告》发表了一篇题为“软物质与生物大分子”的文章。文章对软物质的概念以及软物质与生命科学及生物大分子间的关联进行了简单介绍,分析了国际上的软物质研究状况,展望了几个近期有可能取得较大进展的研究方面,并通过举例简要介绍了软物质物理实验室最近的部分研究工作。

软物质是指处于固体和理想流体之间的复杂态物质。一般由大分子或基团组成,如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命物质等,在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组织行为等。这类物质与普通固体、液体和气体大不相同。软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣,是具挑战性和迫切性的重要研究方向,已成为凝聚态物理研究的重要前沿领域。软物质与人们生活紧密相关,如橡胶、人造纤维、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等等;在技术上有广泛应用,如液晶、聚合物等;生物体基本上均由软物质组成,如细胞、蛋白质、DNA、RNA等。对软物质的深入研究将对生命科学、化学化工、医学、药物、食品、材料、环境、工程等领域及人们日常生活产生广泛影响。软物质的概念是从物理学视点上研究生物大分子的主要出发点之一,是连接物理学与生命科学的一条重要纽带。

作者着重对软物质物理研究进行了展望。他指出,由于软物质包括面太广,这里只限于对与物理学有关的(但并不是全部的)研究方面进行一个简单的展望。随着国际上对软物质,特别是生物软物质研究的持续升温,以下几个方面有可能在近期取得突破性进展:

1. 生物聚合物物理。DNA和蛋白质的单分子弹性和动力学;细胞骨架和网络以及相关集合体的相互作用;生物聚合物溶液、胶体、聚集体、膜等的静电效应、表面效应等。

2. 块状共聚物物理。块状共聚物的有序-有序、有序-无序相变,动力学以及结构问题;块状共聚物稀溶液以及由其组成的微泡和囊泡等介观体系的物理学问题(柔性、稳定性、输运性、自组装等)。

3. 颗粒的动力学和结构。颗粒物质的流动动力学、结构、相变和自组织;各向异性颗粒以及带电颗粒的相互作用;这些物质组成的结构在应用于光子学、电子学、传感器、模板、仿生以及医学诊断和治疗中的物理学问题。

4. 生物大分子、分子马达和人工纳米器件。应用于生物大分子、分子马达和人工纳米器件表征和操纵的单分子成像和显微技术、光谱技术等将得到进一步发展;在实验及相应的理论模型和计算机模拟方法中,将注重纳米尺度下噪声、随机涨落和布朗运动所起的关键性作用。

5. 核酸-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用:从单分子到生物系统。将主要集中于研究支配核酸(DNA和RNA)与蛋白质相互作用的物理机制。实验方法上,单分子成像、荧光、单分子操纵、皮牛力测量、微悬臂、微纳流控技术等将得到大力发展。研究的系统将包括DNA复制、转录、转录调控、蛋白质导致的DNA弯曲和压缩、蛋白质沿DNA的扩散、受体-配体结合的热力学和动力学、操纵DNA的分子马达和酶的动力学等。

6. 理论计算和模型建立。随着计算技术的快速发展,对软物质体系,特别是生物大分子的理论模拟将有长足的发展。分子动力学、布朗动力学、蒙特-卡洛等方法将越来越完善,达到较高的解释和预测水平。对一些动力学模型的建立建将起较大的推动作用。

最后,作者详细介绍了中国科学院物理研究所软物质物理实验室的研究人员在这一领域取得的成就,包括:(1)DNA与组蛋白相互作用的布朗动力学研究。研究人员运用布朗动力学,通过多种相互作用力,研究了DNA与组蛋白相互作用最终形成核小体的动力学过程及其手征性的形成,揭示了DNA与组蛋白相互作用的详细图景,并提出了组蛋白八聚体旋转模型来解释这一过程。(2)DNA单分子在拉伸力作用下的熔化。研究人员研究了单个DNA分子在拉伸力作用下的熔化现象。利用分子梳技术在DNA分子上施加一定的拉伸力,常温下即可使碱基对的氢键打开,使DNA双链分离。并利用荧光分子只有与双链DNA结合才发射出较强荧光这一特点,通过荧光显微方法直接观察到了拉伸力导致的DNA单分子熔化。(摘自科学出版社出版的《2006科学发展报告》)

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