物理學家岡拉克的奇幻漂流:從引力、暗物質到DNA奈米孔


21世紀確實是生命科學的世紀,倒並不是因為新冠疫情,而是多學科水到渠成的結果。隨著數學、物理、人工智慧發展與壯大,跨界研究正為生命科學源源不斷地注入新的動力,並提供了新的工具、視角。

上海臨港滴水湖畔舉行的第四屆世界頂尖科學家論壇在10月31日便聚焦生命科學領域的交叉研究。2021年“基礎物理學突破獎”得主美國華盛頓大學教授詹斯·岡拉克(Jens Gundlach)分享了一個研究引力、暗物質的物理學家是如何跨界到生物的故事。

“基礎物理學突破獎”授予岡拉克,是為了表彰他“通過精確的基礎測量驗證了我們對引力的理解,探索暗能量的本質,並確定了暗物質耦合的極限”。

但是岡拉克他的興趣不侷限與此。其個人網站上寫道:“我是華盛頓大學的一名實驗物理學家。我主要對兩個領域的研究興趣,它們非常接近物理學研究範圍的兩端:基礎物理學和生物物理學。”

為什麼是基礎物理學,為什麼是重力?

“外行人可能沒有意識到,我們正處於一個科學啟蒙時代,在科學的面前我們無比謙卑。“

岡拉克曾表示:“讓我從一些‘歷史’的角度來看待這個問題。四、五百年前,哥白尼和伽利略讓我們認識到,我們所在的地球不是太陽系的中心。哈勃大約在100年前的發現告訴我們,我們所在的太陽系並不在宇宙的中心。在20世紀下半葉,我們意識到,很明顯作為物質的我們和能量,根本不是銀河系中最普遍的物質構成,事實上除了重力,我們似乎甚至無法與大多數暗物質相互作用。”

岡拉克說,“然後,在過去的二十年裡,我們發現宇宙中的大部分能量甚至沒有引力,而是具有明顯反引力,而‘我們’當然又與這些‘東西’無關。隨著正規化轉變發現的這種進展,我們可能想知道接下來會發生什麼。我們可能並不生活在宇宙中最普遍的維度?或者我們的宇宙並不唯一?重力與所有這些驚人的發現密切相關,對重力的精確理解很可能會為這些令人費解的發現提供一些線索。”

他還提到,另一個巨大的謎團是,可見物質的所有屬性和大部分相互作用都可以簡化為一個非常漂亮的理論,即粒子物理學的標準模型,但這種量子模型不能擴充套件到引力。相反,同樣優雅的引力理論、廣義相對論又無法解釋量子世界。“要發現這些事物彼此間聯絡,連愛因斯坦的的嘗試都顯得非常徒勞。”

又為什麼要跨界,研究生物物理學?

岡拉克在其個人網站上道出其中原委:“我羨慕我的妻子:她是醫生,她的工作直接改變了人們的生活。我想我能在這個意義上有所成就的唯一方法,就是參與生物物理學的研究。”

延伸閱讀  綜合國力越強,得獎越多,是真的嗎?

隨後,他參與了“DNA奈米孔測序”。“學習全新的東西是令人興奮的,我從我妻子的生物化學教科書開始。幸運的是,在朋友的幫助下,我設法與比我對生物物理學瞭解得更多的人一起競爭。”進入這個新領域後,岡拉克的第一個發現是,成為一名科學家所需的技能中,有大約90%在不同領域是共通的。

在第四屆世界頂尖科學家論壇上,岡拉克吐露了他是如何跨界進入DNA奈米孔測序、另闢蹊徑的。

岡拉克笑著說,生物物理學,一開始你可能認為這兩個領域沒有任何的聯絡。其實驗室聚焦DNA奈米孔測序,他對此進行了一個非常簡化的抽象解釋,“這就像是有一個桶在中間是有一個孔,它裡面灌滿了鹽水,中間的這個孔可以讓DNA進入,這個孔帶有負電荷的,DNA要通過這裡,因為已經加了一個電壓在裡面了,DNA可以流入到這個孔裡。”


和所有的物理學系教授分道揚鑣

DNA如何通過這個孔,當時並沒有一個共識,它只是一個概念。岡拉克說,在這個問題上,“我和所有的物理學系教授就分道揚鑣了。”

“我當然是一個物理學家,但是每一個物理學家都和我說你必須用氧化矽或者是其他的一些材料,需要用奈米的設施,在大學實驗室才能做這一件事。但是我覺得自然界已經有了一切所需要的元素了,我們為什麼不使用自然界就存在的生物呢?“

岡拉克談到,比如說我們可以使用一個雙層的結構,叫MspA,“它來自一個非常小的細菌,是分枝桿菌屬的,它有合適的幾何學特徵,這些都是很重要的。”


分枝桿菌細長略彎曲,有時有分枝或出現絲狀體。岡拉克說,DNA原則上是能夠通過分枝桿菌二層結構裡的這個孔的,所以我們就試了一下,很快就發現了這些孔確實是非常具有韌性的,把它放到任何PH值環境中,都還可以繼續工作。

我差一點就放棄了

雖然一切都很好,但是,“只有一個小問題,我發現DNA進不去。”岡拉克笑著說。

“我差一點就放棄了,因為沒能取得進展。然後我就對我生物學領域的同事說了其中的挫折,他們說你們可以針對蛋白進行工程改造”,岡拉克說,“我對於生物工程當時沒有什麼認識,它因為也是負電荷的,所以它就沒有辦法進去,那時候我根本就不知道對於蛋白質也可以進行工程,而且很簡單就可以做到了。

岡拉克接下來請教了大學裡熟悉生物工程的同事,在他們的幫助下,岡拉克把電荷變成了中性的,然後還有一些其他的電荷在裡面,就讓DNA能夠通過了。

延伸閱讀  住友製藥向BehaVR提供2300萬美元,針對焦慮抑鬱研發VR治療工具


“我們對於這個結果非常高興!”岡拉克說,於是就有了奈米孔測序的一個非常具有奠基意義的論文。“後來我們開始利用另外一種電流,也就是離子電流,對於細胞核非常的敏感,我們就開始用DNA流到這個孔,它其實非常的短,只有100微秒這麼長,但足以分辨核苷酸。接下來就是用酶,它是一個分子發動機,我們現在瞭解了很多關於酶的事。”

岡拉克先讓酶先放到DNA上,然後用電場把DNA吸入到孔裡,這基於非常原始的分子動力學原理。做到這裡以後,岡拉克就發現酶可以讓DNA非常慢地進入,結果也很好。

岡拉克進一步想“看清”蹤跡,就用了20個不同的DNA的分子,每一個DNA的分子,都讓離子流進入進去,進入到了圖的下方,用不同的顏色。由於離子流它是不斷的重複出現,“其實是用DNA相同的分子測序的,我們看到了以後就非常的振奮,因為我們發現它的相關性非常的好。”

岡拉克看到DNA的序列完美地進行了匹配,“把整個事情就可以搞清楚了,你可以利用離子流來進行DNA的測序,這個現在已經運用在商業上作為一個測序的機器。”

跨學科的研究的確是可行的,而且讓人樂在其中

目前,應用這一技術的商業應用在產業界已經拓展開了。岡拉克激動地說道,“現在我的研究已經完全的轉給產業界了,讓他們非常快的商業化了,奈米孔也是一個非常棒的單分子的工具,又可以用於生物物理學,我現在在實驗室裡面也經常使用。”

他提到,對生物學家來說,很重要的是要理解酶的作用,“現在我們已經知道了DNA的運動,接著給DNA施加一個力,就可以看到DNA是如何被酶所作用的。為什麼對酶的研究特別重要呢?在當前的新冠疫情背景下,我們知道新冠病毒有自己的聚合酶和解旋酶,如果我們可以對聚合酶進行深入的理解的話,就可以開發出相關的抑制劑,讓病毒無法進行有效的複製。”

岡拉克表示,在精度上要大幅提升,要達到半個核苷酸的寬度和精度,首先得從每一個位置分別的來去進行影射,步徑非常非常小,達到了300皮米。“DNA的移動是以半個核苷酸的步徑來移動的,也就是說解旋的過程是以半個寬度來去進行,這個精度可以讓科學家更細緻入微的做探索。更為重要的是時間維度的解析度極高,最終可以帶來非常精準的結果。”

岡拉克又展示瞭解旋酶的動力學,“從動力學的角度來說,解旋酶的步徑應該是1/4核苷酸的長度,而不僅僅是1/2核苷酸的長度,在做測序的時候,也可以達到前所未有的精度。”

“我自己學到了跨學科的研究的確是可行的,而且讓人樂在其中”,岡拉克最後總結道,“從一個學科的洞見、包括工具,可以帶到另外一個學科,我覺得是可以得到奇效的。從物理學跨界做生物,真的是帶來了很多靈感的啟發。另外我也想強調一下,我對於跨界學科本身,因為我不是專業的,因為有了這種不是先入為主的成見,所以可以帶來一些靈感和看法。”

Scroll to Top