21世紀(jì)確實(shí)是生命科學(xué)的世紀(jì)，倒并不是因為新冠疫情，而是多學(xué)科水到渠成的結(jié)果。隨著數(shù)學(xué)、物理、人工智能發(fā)展與壯大，跨界研究正為生命科學(xué)源源不斷地注入新的動力，并提供了新的工具、視角。

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

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

但是岡拉克他的興趣不局限于此。其個人網(wǎng)站上寫道：“我是華盛頓大學(xué)的一名實(shí)驗物理學(xué)家。我主要對兩個領(lǐng)域的研究興趣，它們非常接近物理學(xué)研究范圍的兩端：基礎(chǔ)物理學(xué)和生物物理學(xué)。”

為什么是基礎(chǔ)物理學(xué)，為什么是重力？

“外行人可能沒有意識到，我們正處于一個科學(xué)啟蒙時代，在科學(xué)的面前我們無比謙卑?！?/p>

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(rèn)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(fā)現(xiàn)告訴我們，我們所在的太陽系并不在宇宙的中心。在20世紀(jì)下半葉，我們意識到，很明顯作為物質(zhì)的我們和能量，根本不是銀河系中最普遍的物質(zhì)構(gòu)成，事實(shí)上除了重力，我們似乎甚至無法與大多數(shù)暗物質(zhì)相互作用?！?/p>

岡拉克說，“然后，在過去的二十年里，我們發(fā)現(xiàn)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(dāng)然又與這些‘東西’無關(guān)。隨著范式轉(zhuǎn)變發(fā)現(xiàn)的這種進(jìn)展，我們可能想知道接下來會發(fā)生什么。我們可能并不生活在宇宙中最普遍的維度？或者我們的宇宙并不唯一？重力與所有這些驚人的發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)，對重力的精確理解很可能會為這些令人費(fèi)解的發(fā)現(xiàn)提供一些線索?！?/p>

他還提到，另一個巨大的謎團(tuán)是，可見物質(zhì)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(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，但這種量子模型不能擴(kuò)展到引力。相反，同樣優(yōu)雅的引力理論、廣義相對論又無法解釋量子世界?！耙l(fā)現(xiàn)這些事物彼此間聯(lián)系，連愛因斯坦的嘗試都顯得非常徒勞。”

又為什么要跨界，研究生物物理學(xué)？

岡拉克在其個人網(wǎng)站上道出其中原委：“我羨慕我的妻子：她是醫(yī)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(xué)的研究。” 

隨后，他參與了“DNA納米孔測序”?！皩W(xué)習(xí)全新的東西是令人興奮的，我從我妻子的生物化學(xué)教科書開始。幸運(yùn)的是，在朋友的幫助下，我設(shè)法與比我對生物物理學(xué)了解得更多的人一起競爭。”進(jìn)入這個新領(lǐng)域后，岡拉克的第一個發(fā)現(xiàn)是，成為一名科學(xué)家所需的技能中，有大約90%在不同領(lǐng)域是共通的。

在第四屆世界頂尖科學(xué)家論壇上，岡拉克吐露了他是如何跨界進(jìn)入DNA納米孔測序、另辟蹊徑的。

岡拉克笑著說，生物物理學(xué)，一開始你可能認(rèn)為這兩個領(lǐng)域沒有任何的聯(lián)系。其實(shí)驗室聚焦DNA納米孔測序，他對此進(jìn)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，它里面灌滿了鹽水，中間的這個孔可以讓DNA進(jìn)入，這個孔帶有負(fù)電荷的，DNA要通過這里，因為已經(jīng)加了一個電壓在里面了，DNA可以流入到這個孔里?！?/p>

和所有的物理學(xué)系教授分道揚(yáng)鑣 

DNA如何通過這個孔，當(dāng)時并沒有一個共識，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(xué)系教授就分道揚(yáng)鑣了。”

“我當(dāng)然是一個物理學(xué)家，但是每一個物理學(xué)家都和我說你必須用氧化硅或者是其他的一些材料，需要用納米的設(shè)施，在大學(xué)實(shí)驗室才能做這一件事。但是我覺得自然界已經(jīng)有了一切所需要的元素了，我們?yōu)槭裁床皇褂米匀唤缇痛嬖诘纳锬?？?/p>

岡拉克談到，比如說我們可以使用一個雙層的結(jié)構(gòu)，叫MspA，“它來自一個非常小的細(xì)菌，是分枝桿菌屬的，它有合適的幾何學(xué)特征，這些都是很重要的?！?/p>

分枝桿菌細(xì)長略彎曲，有時有分枝或出現(xiàn)絲狀體。岡拉克說，DNA原則上是能夠通過分枝桿菌二層結(jié)構(gòu)里的這個孔的，所以我們就試了一下，很快就發(fā)現(xiàn)了這些孔確實(shí)是非常具有韌性的，把它放到任何pH值環(huán)境中，都還可以繼續(xù)工作。

我差一點(diǎn)就放棄了

雖然一切都很好，但是，“只有一個小問題，我發(fā)現(xiàn)DNA進(jìn)不去?！睂诵χf。

“我差一點(diǎn)就放棄了，因為沒能取得進(jìn)展。然后我就對我生物學(xué)領(lǐng)域的同事說了其中的挫折，他們說你們可以針對蛋白進(jìn)行工程改造，”岡拉克說，“我對于生物工程當(dāng)時沒有什么認(rèn)識，它因為也是負(fù)電荷的，所以它就沒有辦法進(jìn)去，那時候我根本就不知道對于蛋白質(zhì)也可以進(jìn)行工程，而且很簡單就可以做到了?！?/p>

岡拉克接下來請教了大學(xué)里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，然后還有一些其他的電荷在里面，就讓DNA能夠通過了。

“我們對于這個結(jié)果非常高興！”岡拉克說，于是就有了納米孔測序的一個非常具有奠基意義的論文。“后來我們開始利用另外一種電流，也就是離子電流，對于細(xì)胞核非常的敏感，我們就開始用DNA流到這個孔，它其實(shí)非常的短，只有100微秒這么長，但足以分辨核苷酸。接下來就是用酶，它是一個分子發(fā)動機(jī)，我們現(xiàn)在了解了很多關(guān)于酶的事?！?nbsp;

岡拉克先讓酶先放到DNA上，然后用電場把DNA吸入到孔里，這基于非常原始的分子動力學(xué)原理。做到這里以后，岡拉克就發(fā)現(xiàn)酶可以讓DNA非常慢地進(jìn)入，結(jié)果也很好。

岡拉克進(jìn)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(jìn)入進(jìn)去，進(jìn)入到了圖的下方，用不同的顏色。由于離子流它是不斷的重復(fù)出現(xiàn)，“其實(shí)是用DNA相同的分子測序的，我們看到了以后就非常的振奮，因為我們發(fā)現(xiàn)它的相關(guān)性非常的好?！?/p>

岡拉克看到DNA的序列完美地進(jìn)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(jìn)行DNA的測序，這個現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用在商業(yè)上作為一個測序的機(jī)器?！?nbsp;

跨學(xué)科的研究的確是可行的，而且讓人樂在其中

目前，應(yīng)用這一技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)拓展開了。岡拉克激動地說道，“現(xiàn)在我的研究已經(jīng)完全的轉(zhuǎn)給產(chǎn)業(yè)界了，讓他們非常快的商業(yè)化了，納米孔也是一個非常棒的單分子的工具，又可以用于生物物理學(xué)，我現(xiàn)在在實(shí)驗室里面也經(jīng)常使用。” 

他提到，對生物學(xué)家來說，很重要的是要理解酶的作用，“現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了DNA的運(yùn)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。為什么對酶的研究特別重要呢？在當(dāng)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(jìn)行深入的理解的話，就可以開發(fā)出相關(guān)的抑制劑，讓病毒無法進(jìn)行有效的復(fù)制?！?nbsp;

岡拉克表示，在精度上要大幅提升，要達(dá)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(jìn)行影射，步徑非常非常小，達(dá)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(jìn)行，這個精度可以讓科學(xué)家更細(xì)致入微的做探索。更為重要的是時間維度的分辨率極高，最終可以帶來非常精準(zhǔn)的結(jié)果。” 

岡拉克又展示了解旋酶的動力學(xué)，“從動力學(xué)的角度來說，解旋酶的步徑應(yīng)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(dá)到前所未有的精度?！?/p>

“我自己學(xué)到了跨學(xué)科的研究的確是可行的，而且讓人樂在其中”，岡拉克最后總結(jié)道，“從一個學(xué)科的洞見、包括工具，可以帶到另外一個學(xué)科，我覺得是可以得到奇效的。從物理學(xué)跨界做生物，真的是帶來了很多靈感的啟發(fā)。另外我也想強(qiáng)調(diào)一下，我對于跨界學(xué)科本身，因為我不是專業(yè)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?！?/p>