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专家解读:生物物理学或掀起下一次科学革命

专家解读:生物物理学或掀起下一次科学革命

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参考消息网9月14日报道 西班牙《世界报》网站9月6日刊登题为《洗发水、千层面和新冠疫苗:为何下一次科学革命无所不在?》的文章,作者是安赫尔·迪亚斯。全文摘编如下:

我们以为物理学是专门研究某些技术问题的知识领域,但事实是,物理学——或研究自然的科学——无处不在。它在我们的体内,也在疫苗或药物中。连我们享用的海鲜饭中都有它的身影。

这就是为什么生物物理学,即一种从物理学角度研究生命科学的方法,有可能掀起下一次科学革命。这是一种看待自然的方式,能够帮助我们提高厨艺,让断骨再生,或者将药物送达体内某个器官。或许,这也是为了解读生命的奥秘。

生物物理学的领军者之一戴维·韦茨解释说:“生物学中有一些迷人的东西,但我想从物理学的角度理解它们。”他给我们分享了使生物物理学成为当前最具前景的研究领域之一的关键所在。

解读生命 

生物物理学可被理解为一门着力创造灵感取自大自然的新材料的学科。但正如韦茨所提醒的那样,还能反过来看待:对无生命材料的研究正在帮助科学家更好地理解生命。

韦茨说:“随着对生物材料的理解越来越深,我们可以运用所获知识来了解有关活体材料的事情。活体材料几无变化;它们的变化或演化都非常缓慢。”生物学和物理学“相得益彰”,因为它们提供了“两种截然不同的看待事物的方式”。他说,生物学家研究“个别分子的每处细节”,而物理学家在分析了“许多相互作用的蛋白质”之后,对问题形成更全面的看法。

研究细胞 

韦茨说:“有一些蛋白质微液滴,它们周围什么都没有,只是聚在一起而已。对生物学界而言,出现这种情况令人感到惊讶。但从材料科学和生物物理学的角度来看,这毫不出奇。我们对此研究了很多年,它就是一种非常普遍的现象。”

韦茨说,事实上,在凝胶或洗发水等物质中,或在水油不相容的原理中,也观察到了类似现象。理解这些物理相互作用有助于解开生物学家的困惑——蛋白质如何在细胞中“自由漂浮”和“形成团块”。他说:“我们已对此展开非常严肃的研究。原因是,首先,这种表现非常有趣;其次,它没准对药物与细胞的相互作用方式非常重要。”

研发疫苗 

近年来,生物物理学最重要的应用之一是包载疫苗中核糖核酸(RNA)的纳米颗粒。为了获得这一成果,科学家们从生物膜中获得了灵感,同时运用了物理原理。

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他说:“这些包载着RNA疫苗的微型胶囊是多年研究的成果。我们正努力挖掘它们的潜力,并制造出更多的东西,比如新的药物。”他说,重要的是,这种技术为科学带来了无穷的可能性,无论是物理、化学还是生物领域,“这给我的启示是,我们可以为改善这个世界贡献很多东西”。

组织工程 

生物物理学富有前景的应用领域之一是组织工程,即制造类似于活体组织的人工材料。这将在医学上拥有广阔的应用空间,假如我们拥有量身定做的材料来修复或替换受损器官的话。

这里也不能缺少起着重要作用的物理学知识。韦茨说:“如果你想要得到一个组织物,就得构造一些东西:你得构造细胞,你得构造细胞周围的东西,你得让它们按照某种方式生长,你必须把它们组织起来……”2016年,他的团队培育出一种人造肝组织,用于测试新药物的疗效。也有一些团队正在研究人造心脏……但专家警告说,这个领域并不简单。

他说:“在组织工程学中碰到的问题多如牛毛,其中一些我们正在攻克。要得偿所愿,也就是‘打印’出一块组织,需要很多人的努力。届时如果你骨折了,你就可以去‘打印’一些东西来帮助骨头愈合……”他认为,实现这样的目标仍将非常困难,不过他非常乐观,“它正在到来”。

开发新药 

韦茨预料的另一项重大突破事关在人体内运输新一代药物的需要,而这些药物号称将深刻改变许多治疗方法。他说:“以前,药物往往是非常小的分子。它们很小,才能在你吞服后,通过你的胃进入你的血液系统。但现在,人们开始研究更大的分子,所以如何运输它们就成了必须关心的问题。”

生物技术分子结构图 (视觉中国)

单克隆抗体——正在用于治疗新冠肺炎——或细胞疗法是一些已然到来的例子,但韦茨认为还有许多可能性正在显现。他说:“我从寻找新药物和新运输方式中看到一种巨大的机遇。”

烹制美食 

韦茨在哈佛大学内出名还因为他教授的科学与烹饪课程。例如,他在课上讲授西班牙海鲜饭中蕴含的物理学,并和何塞·安德烈斯、费兰·阿德里亚等西班牙大厨合作。受大厨们研发的菜品启发,他采取了这种新的教学方式。他说:“我可以从物理学的角度理解在厨师创造美食的过程中出现的现象。我教给学生的知识都和科学相关,但他们并不了解这些。他们以为自己学的是烹饪,但其实是科学。”

最令韦茨引以为豪的是一名历史系学生,她在听了韦茨的课并学习到一些“基本公式”后,能够在放假期间帮助母亲准确计算出烹制千层面所需的时长。他说:“现在她可以动手做些计算,而不会再看到方程式就害怕。对我来说,这就是科学。”

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