生命系统的复杂动力学

   生命系统的复杂动力学是国际生物物理学研究热点之一，软物质实验室利用单分子荧光动态成像技术与磁镊单分子技术搭建了细胞层次的扩散分布快速测量、运输自动识别、染色质纤维动态结构实时跟踪实验平台、搭建了微流控人工模拟细胞输运系统，并开展了一系列理论结合实验的研究工作。

   王鹏业研究员带领的团队利用磁镊单分子技术操纵单个的染色质纤维分子，在近热力学平衡条件下跟踪单个染色质纤维分子动态拆解的全过程，首次获得了染色质纤维中四聚核小体单元这个关键的中间态（2016 Molecular Cell）。同时,定量揭示转录辅助因子FACT结合染色质纤维后降低染色质纤维的力学稳定性，显示FACT能够调控染色质纤维结构，帮助转录机器克服染色质纤维的结构障碍顺利的结合到目标位置，为后续的基因转录做好准备。该工作得到国际国内同行的广泛关注，并给予高度评价，被Nature Reviews（August 2017，18，8）引述为封面文章进行了重点报道。同时，进一步揭示了FACT对染色质结构单元核小体的调控，定量表征了FACT具有降低核小体结构稳定性和保持核小体结构完整性的双重功能（2018Molecular Cell）。该研究团队获得2018年北京市科技进步二等奖。

   李明研究员带领的团队利用单分子荧光动态成像实验平台进行细胞内动力学研究，揭示了细胞凋亡过程的动力学机制。在国际上首次发现了凋亡细胞内的主动运输和扩散两类运输动力学显著提高，阐明了该现象源于凋亡早期细胞内的ATP浓度升高，证实细胞内动力学的提高是凋亡进程的重要条件之一（2018 PNAS）。该团队还开展了单个DNA分子的折叠及凝聚动力学研究，如不同离子条件下的G4折叠结构以及形成动力学（2017 Bioscience Report、CPB）；在单分子水平上解释了扭力对DNA凝聚的影响，研究了pH值对DNA凝聚的影响，比较了不同铂类抗癌药物导致的DNA凝聚动力学（2018 AIP Adv、CPL）；利用超分辨荧光成像技术，观察大肠杆菌中DNA的凝聚结构，提出染色体DNA在细胞复制周期中各个阶段的盘绕状态，以及支配其自组装的理论模型（2015 Scientific Report）。上述工作得到了国际同行的关注和重视，被Chemical Reviews (IF 52.613), Reports on Progress in Physics (IF 14.257)，PNAS，Nucleic Acids Research等文章多次正面引用。

   细胞动力学及其与周边微环境的相互作用目前已受到越来越多的关注，在癌细胞侵袭、免疫系统反应、甚至干细胞分化等各生命动态过程中都有着非常重要的作用。Jure研究员和叶方富副研究员带领的团队通过各个层面的实验和理论研究对细胞动力学及其与环境的相互作用进行了深入的探讨。首先团队利用胶原蛋白作为三维细胞培养的细胞外基质、结合微流体系统构造三维体外细胞培养以及抗药性研究的物理模型，在体外精确模拟肿瘤微环境。该模型可以提供比传统二维平板细胞培养方式更为接近体内情况的立体真实环境，从而获得更为准确的数据；三维生物微流体芯片还可以提供复杂的外部物理化学环境，如建立多种生物因子和抗癌药物共同存在的复合浓度梯度；同时由于生物芯片的可视性，可以实时观测癌细胞抗药性的动态变化，癌细胞可以随时被提取出来做基因或蛋白分析。因此，构建复杂体外三维模型并进行深入的肿瘤机制和医疗方面的研究，具有重大意义。团队已成功构建了多种体外三维微流模型，并基于该平台，发现了多种肿瘤侵袭的相关物理机制和判定表征方法(PNAS 2016, Lab Chip 2017)。同时，团队从统计物理与软物质理论出发，提出了模拟细胞群体的结构与动力学的简化理论模型(PRL 2018)，并且从理论上深入研究了细胞膜表面的配体受体结合能以及细胞膜曲率如何影响细胞与外界相互作用(PNAS 2017, Nano Letters 2018)。