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生物软物质研究的新进展


□ 王鹏业 李 明 翁羽翔

  摘.要文章对近年来中科院物理研究所软物质物理实验室生物软物质研究的部分新进展做一简略介绍,包括DNA单分子研究,DNA与组蛋白的相互作用动力学研究,生物分子马达的运动机制研究,解旋酶与DNA的结合以及解旋DNA的动力学研究,朊病毒片段聚集的分子动力学研究,蛋白质折叠动力学的脉冲升温-时间分辨光谱研究,光合细菌外周捕光天线膜蛋白的拓扑结构研究等.
  关键词生物软物质,DNA,蛋白质,动力学,软物质物理
  Recent progress in biological soft matter research
  
  WANG Peng\|YeLI.MingWENG Yu\|Xiang
  (Laboratory of Soft Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
  
  AbstractOn the occasion of the 80th anniversary of the Institute of Physics we present a brief introduction to the recent progress in our research on biological soft matters in the Laboratory of Soft Matter Physics, including single\|molecule studies of DNA, the interaction dynamics between DNA and histones, the mechanism of biological molecular motors, the DNA binding and unwinding kinetics of helicases, molecular dynamics investigations on the aggregation of prion fragments, T\|jump/time\|resolved spectroscopy of protein folding dynamics, and studies on the topological shape of integral membrane protein light\|harvesting complexes from photosynthetic bacteria.
  Keywordsbiological soft matter, DNA, protein, dynamics, soft matter physics
  
  1.引言
  
  软物质这一概念由法国物理学家德热纳 (P.G. de Gennes) 首先提出,他在1991年诺贝尔奖授奖会上以“软物质(Soft Matter)”为演讲题目[1], 引起广泛关注.软物质的特征就体现在“软”上,比如轻轻施力即可使其产生较大形变,但它又不像普通流体(如水、空气)那样具有良好的流动性.软物质具有短距离的规则性,但缺乏长距离周期性,其形态与熵有很大关系.只有这样它才能够构造出千变万化极其复杂的系统,并可携带大量的信息,生命就是一个例子.因此,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,在自然界中广泛存在.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.流体热涨落和固态的约束共同导致了软物质的新行为,体现了软物质组成、结构和相互作用的复杂性及其特殊性.软物质在介观尺度(大约从1nm到1μm)范围内,通过相互作用,可形成从简单的时空有序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统.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.
  软物质与生命活动紧密相关,生物体基本上均由软物质构成,如细胞及组成它的主要成分(脂膜、蛋白质、DNA、RNA等).软物质与一般硬物质的运动变化规律有许多本质区别,人们对这一研究领域的开拓还远未达到较完善的程度,任重而道远.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.应用现代物理学手段,理论与实验相结合,对一些重要的生物大分子及其相互作用的研究,有助于在分子水平上揭示生物大分子结构、运动与功能的关系.这是物理学与生命科学交叉的前沿领域,有许多问题有待深入研究,是学术界面临的长期研究方向.
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摘自:物理 2008年第06期  
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