以下为澎湃新闻和周如鸿教授的采访对话(略有编辑)
澎湃新闻:相较于物理和化学这样古老的学科 , 生命科学是比较“年轻”的 , 您认为借用物理、数学等多学科的方法去研究生物学领域的问题 , 会给生物学的整个研究范式带来怎样的改变?
周如鸿:这是非常好的问题 。 我们在刚刚举办的生命科学3.0与交叉研究论坛中也提到了定量生物学(Quantitative Biology)这一概念 , 从某种意义上说 , 这一尝试是把物理、化学、数学这些更基础、更理论、也更定量的理论手段引入到生物学中 , 协同生物学研究一起 , 从定性走向定量 。
这一转变的标志性的事件之一是2013年的诺贝尔化学奖颁发给了迈克尔·莱维特(Michael Levitt)、马丁·卡普拉斯(Martin Karplus)、亚利耶·瓦谢尔(Arieh Warshel) , 以表彰他们在发展多尺度模型研究复杂生物与化学体系上的贡献 。 这是一个重大的里程碑事件 , 标志着生物研究从定性走向了定量 。
从更广义的研究范式来讲 , 生物学也是一门非常古老的学科 , 只是早期的研究更多的是现象观察 , 并没有太多的定量研究 , 也少有人提及交叉学科的生物学研究概念 。 但我们看到 , 在生命科学3.0与交叉研究论坛圆桌讨论里 , 许多顶尖科学家都提到了“定量生物学”这个概念 , 现代生物学正在借助交叉研究的手段、理论与计算的方法 , 逐步从定性走向定量 。
澎湃新闻:您刚才提到定量生物学的标志性事件是2013年莱维特教授等人获得诺贝尔奖 , 发展到现在其实并没有很久的历史 , 目前科学界对定量生物学的概念有没有非常清晰的界定?大家的观点是否高度统一?
周如鸿:应该说还没有完全统一 。 定量生物学作为一门学科来讲是非常新兴的 , 据我所知 , 在美国 , 普林斯顿大学、麻省理工学院、哥伦比亚大学等都有定量生物学中心 , 当然大的跨国企业里面也有 , 比如像谷歌、IBM 。 国内目前也至少有两家 , 北京大学定量生物学中心 , 以及浙江大学定量生物学中心 。
这个学科应该说还处在发展的初级阶段 , 不能说它的定义已经非常清晰完善了 。 如果我们去问不同的学者 , 给到的答案大概都不一样 。 但是不管答案如何变化 , 这里面最重要的一点就是用定量的手段来研究生物学问题 , 只是定量到底是用量子力学、经典力学还是宏观统计力学来描述 , 可能各有千秋 , 还没有一个定论 。 总而言之 , 都是要借助物理、化学、数学、计算机科学等更偏基础理论与定量手段的学科来推进生物学的研究与发展 。
澎湃新闻:目前全球范围内 , 定量生物学引入比较多的研究主要集中在哪些领域?
周如鸿:我们先说说最近比较热门的AlphaFold , 它是一个基于人工智能深度学习的算法 , 已经在蛋白质结构预测方面超过人类专家 。 目前针对许多蛋白结构 , 其精度不仅与实验方法不相上下 , 而且速度远超冷冻电镜等实验方法 , 说明这个领域有了突破性发展 。
从方法上讲 , AlphaFold就属于定量手段 。 应用AlphaFold可帮助研究人员省去部分实验 , 例如不用再通过昂贵的冷冻电镜实验 , 来快速完成大部分的蛋白质结构预测 。 AlphaFold冲击了传统研究手段 , 帮助人类在生物科学探索上不断前进 。
不仅如此 , 分子动力学、分子对接等计算机辅助药物设计方法也逐渐被应用于药物开发 。 药物设计不仅需要了解蛋白质受体结构 , 还需要明确其动力学性质 , 以及与其他生物大分子相互作用等功能 。 目前研究人员已经可以通过分子动力学、自由能微扰等仿真模拟手段研究蛋白质氨基酸点突变等引起的结构变化和结合能变化 。
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