我是华盛顿大学的实验物理学家是多学科的自然结果

21世纪确实是生命科学的世纪，不是因为新冠肺炎疫情，而是因为多学科的自然结果伴随着数学，物理和人工智能的发展和拓展，跨界研究不断为生命科学注入新的动力，提供新的工具和视角

日前，第四届世界顶尖科学家论坛在上海滴水湖畔举行，聚焦生命科学领域的跨学科研究2021年获得基础物理学突破奖的美国华盛顿大学教授詹姆斯冈拉克分享了一个研究引力和暗物质的物理学家如何跨越国界到达生物的故事

基础物理突破奖授予冈拉赫，以表彰他验证了我们对引力的理解，探索了暗能量的本质，并通过精确的基础测量确定了暗物质耦合的极限。

但冈拉克的兴趣并不仅限于此他的个人网站上写着:我是华盛顿大学的实验物理学家我主要对两个领域的研究感兴趣，这两个领域非常接近物理学研究范围的两端:基础物理学和生物物理学

为什么是基础物理，为什么是引力。该论文的第一作者，卡内基梅隆大学的心理学家马塞尔贾斯特(Marceljuster)说：“对于我们日常看到的大多数东西，比如一块石头，一个湖和一朵花，人们可以估计它们的大小，但物理学家思考的概念并不具备大小的属性。”。

外行人可能没有意识到，我们正处于一个科学启蒙的时代，在科学面前我们极其谦卑。

冈拉克曾说:让我从一些‘历史’的角度来看这个问题四五百年前，哥白尼和伽利略让我们意识到我们的地球不是太阳系的中心大约100年前哈勃的发现告诉我们，我们的太阳系并不在宇宙的中心20世纪下半叶，我们意识到，很明显，我们和能量作为物质，根本不是银河系中最常见的物质成分事实上，除了引力，我们甚至无法与大多数暗物质相互作用

冈拉克说，然后，在过去的二十年里，我们发现宇宙中的大部分能量都有明显的反重力而不是重力，而‘我们’与这些‘东西’无关伴随着范式转换发现的发展，我们可能会想接下来会发生什么我们可能不是生活在宇宙最普遍的维度还是我们的宇宙不是唯一的引力与所有这些惊人的发现密切相关，对引力的准确理解很可能会为这些令人困惑的发现提供一些线索

他还提到，另一个巨大的谜团是，可见物质的所有属性和大多数相互作用都可以简化成一个非常美丽的理论，即粒子物理的标准模型，但这个量子模型不能扩展到引力相反，同样优雅的引力理论和广义相对论无法解释量子世界即使爱因斯坦试图发现这些事物之间的联系，似乎也是非常徒劳的

为什么要跨界研究生物物理。

冈拉克在个人网站上讲述了这个故事:我羡慕我的妻子她是一名医生，她的工作直接改变了人们的生活我认为我能在这个意义上有所成就的唯一途径就是参与生物物理研究

后来，他参与了DNA纳米孔测序学习一些全新的东西是令人兴奋的我从我妻子的生物化学课本开始幸运的是，在朋友的帮助下，我设法与比我更了解生物物理学的人竞争进入这个新领域后，gundlach的第一个发现是，成为一名科学家所需的90%左右的技能在不同领域都是通用的

在第四届世界顶尖科学家论坛上，冈拉克揭示了他是如何进入DNA纳米孔进行测序并找到另一种方法的。

冈拉克笑着说，生物物理学，一开始你可能会认为这两个领域没有联系他的实验室专注于DNA纳米孔测序，他给出了一个非常简化的抽象解释就像一个中间有洞的水桶，里面装满了盐水中间的洞可以让DNA进入如果这个洞带负电，DNA应该会从这里通过，因为里面已经施加了电压，DNA可以流入这个洞

所有的物理教授分道扬镳。

当时对于DNA是如何通过这个洞的还没有共识，但只是一个概念冈拉克说，在这个问题上，我与所有的物理教授分道扬镳

当然，我是物理学家，但每个物理学家都告诉我，你必须使用氧化硅或其他材料，并且需要纳米设施才能在大学实验室里做到这一点但我认为大自然已经具备了所有必要的元素我们为什么不用自然界存在的生物呢

Gundlach说，例如，我们可以使用一种叫做MspA的双层结构它来自一种非常小的细菌，属于分枝杆菌，它有适当的几何特征，这些都非常重要

分枝杆菌是细长的和轻微弯曲的，有时分枝或丝状Gundlach说，原则上，DNA可以通过分枝杆菌二级结构中的这个洞，所以我们尝试了一下，很快发现这些洞真的非常坚韧，即使放在任何PH环境下，它们也可以继续工作

我差点放弃了。

虽然一切都很好，只有一个小问题，我发现DNA进不去冈拉克笑着说

我几乎放弃了，因为我无法取得进步然后我把遇到的挫折告诉了生物学领域的同事，他们说你可以改造蛋白质冈拉克说，当时我对生物工程了解不多，因为它也带负电，所以进不去当时我还不知道工程可以在蛋白质里进行，可以简单的做

接下来，gundlach咨询了大学里熟悉生物工程的同事在他们的帮助下，冈拉克把电荷变成了中性，然后里面还有一些其他的电荷，这样DNA就可以通过了

我们对这个结果非常满意！冈拉克说，所以有一篇关于纳米孔测序的开创性论文后来，我们开始使用另一种电流，那就是离子电流，它对原子核非常敏感，所以我们开始使用DNA流向这个洞，这个洞其实很短，只有100微秒

这么长，但足以分辨核苷酸接下来就是用酶，它是一个分子发动机，我们现在了解了很多关于酶的事

冈拉克先让酶先放到DNA上，然后用电场把DNA吸入到孔里，这基于非常原始的分子动力学原理做到这里以后，冈拉克就发现酶可以让DNA非常慢地进入，结果也很好

冈拉克进一步想看清踪迹，就用了20个不同的DNA的分子，每一个DNA的分子，都让离子流进入进去，进入到了图的下方，用不同的颜色由于离子流它是不断的重复出现，其实是用DNA相同的分子测序的，我们看到了以后就非常的振奋，因为我们发现它的相关性非常的好

冈拉克看到DNA的序列完美地进行了匹配，把整个事情就可以搞清楚了，你可以利用离子流来进行DNA的测序，这个现在已经运用在商业上作为一个测序的机器。

跨学科的研究的确是可行的，而且让人乐在其中

目前，应用这一技术的商业应用在产业界已经拓展开了冈拉克激动地说道，现在我的研究已经完全的转给产业界了，让他们非常快的商业化了，纳米孔也是一个非常棒的单分子的工具，又可以用于生物物理学，我现在在实验室里面也经常使用

他提到，对生物学家来说，很重要的是要理解酶的作用，现在我们已经知道了DNA的运动，接着给DNA施加一个力，就可以看到DNA是如何被酶所作用的为什么对酶的研究特别重要呢在当前的新冠疫情背景下，我们知道新冠病毒有自己的聚合酶和解旋酶，如果我们可以对聚合酶进行深入的理解的话，就可以开发出相关的抑制剂，让病毒无法进行有效的复制

冈拉克表示，在精度上要大幅提升，要达到半个核苷酸的宽度和精度，首先得从每一个位置分别的来去进行影射，步径非常非常小，达到了300皮米DNA的移动是以半个核苷酸的步径来移动的，也就是说解旋的过程是以半个宽度来去进行，这个精度可以让科学家更细致入微的做探索更为重要的是时间维度的分辨率极高，最终可以带来非常精准的结果

冈拉克又展示了解旋酶的动力学，从动力学的角度来说，解旋酶的步径应该是1/4核苷酸的长度，而不仅仅是1/2核苷酸的长度，在做测序的时候，也可以达到前所未有的精度。

我自己学到了跨学科的研究的确是可行的，而且让人乐在其中，冈拉克最后总结道，从一个学科的洞见，包括工具，可以带到另外一个学科，我觉得是可以得到奇效的从物理学跨界做生物，真的是带来了很多灵感的启发另外我也想强调一下，我对于跨界学科本身，因为我不是专业的，因为有了这种不是先入为主的成见，所以可以带来一些灵感和看法

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