單分子物理學(xué)和單分子生物學(xué)

自生物膜構(gòu)型從20世紀(jì)90年代進(jìn)入抽象的數(shù)學(xué)研究以來，在這個(gè)領(lǐng)域開展研究的物理學(xué)家開始把眼睛盯向分子生物學(xué)的更深層次——生物大分子的研究，這也是DNA與蛋白質(zhì)被納入軟物質(zhì)或軟凝聚態(tài)研究范圍的原因。

▲DNA

這兩種分子最簡單的物理模型，是把它們看成柔性彈性高分子聚合物。四十年代，化學(xué)家曾把高分子鏈的曲率平方作為聚合物鏈的彈性自由能，提出所謂的蟲鏈模型。自從50年代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)后，為說明DNA扭結(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)家懷特為閉合帶的環(huán)繞與扭結(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出的計(jì)算公式，便被當(dāng)成拉格朗日乘子加到蟲鍵模型的彈性自由能上，構(gòu)成DNA的彈性自由能。這個(gè)模型在分析DNA的實(shí)驗(yàn)，特別是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的實(shí)驗(yàn)，得到深刻的應(yīng)用。

1971年，Ⅰ型和Ⅱ型拓?fù)涿傅陌l(fā)現(xiàn)是這個(gè)模型的成功范例。但這個(gè)模型只在“粗?；保赐?fù)浣Y(jié)構(gòu)）上描述生物大分子DNA的結(jié)構(gòu)。到八十年代后期，基于光的力學(xué)效應(yīng)和激光冷卻技術(shù)，發(fā)明了光鑷技術(shù)，人們可以對單個(gè)DNA分子施以皮牛頓（10^－12牛）級的力作用。因此，在近幾年，Nature和Science刊登出許多論文，報(bào)道單個(gè)DNA分子在光鑷?yán)ψ饔孟碌姆蔷€性彈性拉伸應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這為研究單個(gè)DNA分子構(gòu)型提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，從而逐漸成為一門軟物質(zhì)凝聚態(tài)物理中的新學(xué)科——單分子生物學(xué)或單分子物理學(xué)。

生物大分子的自由能是由kBT來表征，這里kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度（一般是室溫）。生物大分子的空間構(gòu)型的尺度是在納米量級，這就容易理解對生物大分子的作用力必須是皮牛頓級的。單分子生物學(xué)與單細(xì)胞力學(xué)也可以稱為皮牛頓力學(xué)，這也是從事激光冷卻的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者朱棣文被吸引到單分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究中的原因。

有了這些實(shí)驗(yàn)研究作基礎(chǔ)，研究軟物質(zhì)凝聚態(tài)的理論物理學(xué)家，正在緊鑼密鼓地展開比蟲鏈模型更深入的生物大分子理論模型的研究。中國科學(xué)院理論物理研究所一部分研究生與博士后也不失時(shí)機(jī)地加入這個(gè)國際競爭，在Physical Review等刊物上發(fā)表一系列關(guān)于DNA分子模型的研究論文。他們最近發(fā)表在1999年5月31日出版的《物理評論決報(bào)》（Physical Review Letters）上的關(guān)于DNA非線性彈性應(yīng)變的論文，給出了幾乎與近年發(fā)表在Science等雜志的實(shí)驗(yàn)曲線都符合得很好的理論曲線！

除DNA外，蛋白質(zhì)折疊也是當(dāng)前單分子生物物理學(xué)最熱門的課題之一。理論生物物理學(xué)家把組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸分為親水和疏水兩部分，把它們無數(shù)種隨機(jī)構(gòu)型挑出來，使親水部分盡量暴露在結(jié)構(gòu)的表面（以利于與水接觸），把疏水部分盡量藏于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這就獲得了蛋白質(zhì)折疊的物理途徑——用蒙特卡羅方法確定給定氨基酸序列的蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)。在這方面的研究中，美國洛克菲勒大學(xué)物理與生物交叉研究中心的中國青年留學(xué)生李浩教授，做出很優(yōu)秀的開創(chuàng)性工作，被海峽兩岸的理論生物物理工作者所重視。

生命系統(tǒng)的天然生物材料，為適應(yīng)各種功能和環(huán)境而構(gòu)成了復(fù)雜的多樣性。其復(fù)雜性是傳統(tǒng)的天然材料如金屬、陶瓷等無法比擬的。經(jīng)過生物化學(xué)幾十年的研究，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)，其錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是由幾種基本化合物構(gòu)成的。這幾種化合物就是水、組成DNA和RNA的核耷酸（4種）、組成蛋白質(zhì)的氨基酸（20種）、糖和生物礦物（如骨頭）等。

生物材料的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在這幾種基本化合物自組裝方式的多樣性。研究它們的分級和自組裝結(jié)構(gòu)的機(jī)理，是軟物質(zhì)科學(xué)的中心任務(wù)，也是物理與生命科學(xué)交叉、凝聚態(tài)物理向新世紀(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要方向。中國理論物理學(xué)界已開始重視這個(gè)發(fā)展趨勢，由原來研究非線性科學(xué)的一部分人率先轉(zhuǎn)到這個(gè)尚待開發(fā)的處女地，開拓了一些新領(lǐng)域，取得了一定的成果。有的研究方向，如基因信息學(xué)的研究，則已深入到與生物學(xué)界同一方向的研究密不可分的境界，這是相當(dāng)可喜的。