【編者按】意昂3体育官网前沿交叉學科研究院是跨學科的研究平臺。研究院的基本任務是組織跨學科的學術交流、開展跨學科的科學研究和培養交叉學科的優秀人才。研究院以意昂3体育官网雄厚的基礎學科和先進的技術學科為基礎🤾‍♂️，組織聯合相關的研究力量💂🏿🐫，建設具有良好學術交流環境👩🏻‍🚀、學科前沿性與學科交叉性相結合、實體與虛體相結合的交叉學科研究平臺，為意昂3体育官网的交叉學科研究創造良好的學術氛圍和研究條件。本網將陸續介紹一些相關的研究中心，以饗讀者🧙🏽‍♀️。

在意昂3体育🗝，有著這樣一群科研工作者：

他們，找尋生物網絡中的拓撲性質；物理學的研究方法💁🏻，引領探索生命👨🏿‍🌾👩🏻‍🦯。

他們✍️，完成雙穩態記憶模塊的構建💗🍣；工程學的設計思路，指導編譯生命。

他們❓🐩，處理基因組的復雜結構信息；統計數學的分析手段🎭，協助解碼生命。

他們🤒🏃🏻，開發多靶標藥物合成的算法；計算科學的算法技術，幫助呵護生命。

系統生物學、合成生物學🐁、生物信息學🤓、計算生物學，這些自然科學王國中的“混血王子”🧛‍♀️，在他們看來魅力無限🫢👩🏻‍🦽‍➡️；縱然他們的研究方向彼此有別甚至大相徑庭☝🏼🙇🏻‍♀️，但源於對理論和定量手段的熱愛與崇敬🥑，他們相聚在一起。

他們🫵🏼，擁有一個共同的家：意昂3体育官网定量生物學中心🏃。

新千年生命科學備忘錄

“二十一世紀是生命科學的世紀，更是生命科學與傳統定量科學交叉融合的世紀。”作為定量生物學中心主任，湯超教授對新世紀生命科學作出了前瞻“在學科間高度交叉的基礎上♗，新的生命科學將會誕生：即從原先觀測性的👮🏿‍♂️、描述性的科學躍升為定量的、可預測的🐐、工程性的科學🤦🏻‍♂️。”

正是在這樣的大背景下，經李政道先生提議👩🏻‍🦼、意昂3体育官网校方大力支持，意昂3体育官网定量生物學中心（原意昂3体育官网理論生物學中心）於1999年開始籌建，並於2001年9月正式成立🤌🏼。從一開始定量生物學中心就具有較高的國際定位。自2002年起中心每年選擇一個特定的課題，並有目的地邀請國內外著名學者參加會議並做報告。至今已討論過“生物分子進化”、“生物網絡”🙆🏿、“蛋白質折疊、功能與動力學”、“細胞信號傳導”等眾多主題👋。此外，定量生物學中心與國外很多的大學和研究機構有緊密的合作關系，特別是在2005年，定量生物學中心還與加州大學加州定量生物醫學研究所簽定了合作建立聯合研究中心的協議。如今定量生物學中心已經名副其實成為了國際化的理論與系統生物學研究機構。

盡管生物系統具有高度的復雜性，然而正如我國著名理論物理學家郝柏林先生所言🤾🏻📨：生物是物⚈，生物有理🧑🏻‍🎓，所以生命現象同樣應該滿足基本而普遍的物理和化學運動規律。定量生物學中心的研究人員正是奉此為信條，一方面試圖發掘萬般現象背後的普適原理，一方面再反過來以原理為工具，指導實驗、設計算法。短短十年時間裏，定量生物學中心在交叉學科研究領域已經取得了一批重要成果👶🏿，在國際頂級學術期刊雜誌如Cell, Nature Nanotech, PNAS, PRL, NAR, JBC, Bioinformatics, Molecular Systems Biology等發表了一系列高水平論文。

定量📖，讓理論更“美好”

新世紀伊始，定量生物學中心湯超教授課題組和加州大學舊金山分校Wendell Lim教授課題組合作📡，在一項研究中揭示了生化適應性在生物網絡層次上是如何實現的，尋找到了實現生化適應性的核心拓撲結構。其研究成果作為封面文章刊登在國際生物學頂級期刊《細胞》上🏊🏼‍♀️，一時間引起了國內外的廣泛關註👨🏼‍🚀。

生物體生活在一個不斷變化的環境中，如何適應新的化學環境是生物體保證自身生存的需要🧑🏽‍🦲，這一特性可以稱為生物體的生化適應性。從微觀角度看😯，這種適應性的實現依靠一個特定的蛋白調控網絡。網絡的組成部分除了各個節點（蛋白或多蛋白集合體）本身，還有節點之間的聯系，以及節點間的相互作用🕶。節點間相互作用的一種重要表現形式是反饋調節。簡單的兩節點間關系可以用“正反饋”與“負反饋”描述。這其中🧅，正反饋促進，“愈演愈烈”，負反饋抑製，“及時修正”，一正一負即把兩個節點間聯系的本質描繪得一清二楚🌩。而對於多個節點的網絡，多條正負反饋相結合就會構成一致回路😲、前饋回路等復雜反饋模塊。

“傳統的生物化學研究多集中於闡釋具體的分子機製⚙️，相當於如何把整個調控的‘故事’講清楚；而我們關心的更多是有關反饋性質的一般性問題💠。”湯超教授指出，盡管具體的網絡具有多樣性，但反饋的性質關乎調控的邏輯基礎，因此應該是普適的。”

終於，在經過海量窮舉後，隱藏在千差萬別調控網絡背後的一般性規律揭開了其神秘面紗：研究組發現在16038種網絡中只有395種表現出生化適應性，而這395種又可以歸結為兩大類：第一類網絡包含兩條符號相反的從輸入到輸出的信號通路（不一致前饋回路）；而另一類網絡不包含前饋回路，卻包含至少一個負反饋回路。

從16038種到395種再到僅僅兩類，是多樣性向統一性的漸變。而這種統一性之所以難於找尋，不只是因為情況繁多數量龐大，更因為它隱藏在了節點相互作用的關系之中，而無關節點本身。同時🧭，若非系統的使用定量方法，整項工作也難以完成🚃：統計數學的使用讓數據呈現得更加清晰，而常微分方程模擬等定量手段則進一步分析了拓撲網絡的動力學性質，從非線性動力學的角度給出了定量解釋☂️。

“定量可以讓人感到實在🧘🏿‍♂️！”采訪中📵，定量生物學中心一位生物物理專業的研究生如是感慨😐，“定量化讓理論本身有了數學形式，接著你就可以去演繹🍗，去推論。當推論被驗證之日，就是理論本身勝利之時！”

然而🦸🏽，理論的價值絕不僅限於理論本身。2007年，定量生物學中心來魯華教授課題組在《美國科學院院刊》上發表論文，成功發展了一種“蛋白質關鍵殘基嫁接”算法，用於將一個蛋白質的關鍵功能性殘基嫁接到另一個不同結構的蛋白質上，並將這種方法應用到了實際體系的研究中，取得了成功。緊隨其後的，是定量生物學中心另一套關於“多靶標藥物”算法的開發。多靶標藥物能夠突破單靶標藥物所存在的多項缺陷👨🏻‍🏫，更加安全有效的控製疾病。中心開發了一種新型的穩健算法，從系統層面上確定了藥物作用的多靶點及其協同關系，並用以尋找疾病網絡中多靶點的最優幹預🙂‍↕️🫸🏼，相當於完成了基於網絡結構的藥物設計☛。

“能夠系統地設計出自然界不存在的東西，是一門學科發展為工程學科的重要標誌。”來魯華教授認為，從最初的理論成果到實際應用🪇，需要的是對基本原理作定量的展開，通過演繹與推算將其運用到現實問題中去。如今的IT產業蓬勃興旺，但微電子學的“老根”確是量子力學的基本原理🧚🏿。“我們的最終理想是蛋白質化學可以催生出蛋白質工程，從而基於算法系統地進行藥物研發🧔🏼。”

交叉👧🏻🕛：從技術共享到思維融合

“很多人可能會存在誤區，認為理論生物學只是搞理論；其實我們是原理😲、實驗🦡👩🏿‍🌾、計算三者相結合。”在定量生物學中心的實驗室裏，一位研究生為記者詳細講解了中心堪稱世界一流的各種實驗技術手段：單細胞分析技術可以“全程監視”單個蛋白在細胞內的行蹤🤌🏽🚐，在大量分子的統計平均結果之外捕獲單個蛋白的個性行為🍤；高通量篩選技術使得一次實驗可以八個通道同時進行，比傳統技術快了十幾倍🧑🏿‍⚕️；高效熒光標記技術可以將活細胞“染”得五彩繽紛，讓目標物清晰可見🍆；微流控技術則營造了微米級的小型生物實驗系統🤖，使反應更定量、更局域、更可控。

這其中微流控技術擁有完全的“自主知識產權”——它是定量生物學中心歐陽頎教授微流研究組幾年來研究的智慧結晶。近幾年研究組發表了一系列定量生物學研究發現，設計實現了對細胞微環境進行精確時空控製。同時課題組正在致力於建設一個微流技術的公共平臺，面向整個定量生物學中心。屆時🔹，技術共享將會起到拋磚引玉的作用，帶動各課題組間更多的密切合作✌🏻。

比技術共享更具意義的是思維交叉。“中心老師相互間的合作絕不僅僅停留在技術共享的層面，真正思想上的碰撞才是關鍵✢。因為思維的不同，因為切入問題角度的不同，不同學科背景的人去看同一個問題🫔，各自會有不同的感覺👫🏻，而這正是交叉學科研究的魅力所在👩‍🦯‍➡️。”作為定量生物學中心的副主任，歐陽頎教授非常得意的就是中心的成員常常會相互碰頭🤽🏻👩🏽‍🦱，共同討論學術問題，“切磋技藝”，彼此間並不孤立。不論老師同學，無關輩分高低，真真切切一家人🔤。

然而，歐陽頎同時表示🤙🏻，在研究中真正實現不同學科思維間的交叉融合，還需要時間🌶。這是定量生物學中心面臨的難題🧑🏼‍💼，同時也是全世界的問題。誰都沒有經驗🦎。

事實上🌪，其他學科介入生命科學領域並非首次🦹🏿：歷史上曾經發生過兩次生命科學革命——分子生物學的創立與發展，以及基因組學的興起🧀。但僅僅“介入”🫱🏽👙，並非意味著真正意義上的交叉——兩次革命中其他學科更多只是扮演工具的角色，為生命科學提供服務🔔，與生命科學的關系僅是一種“主從關系”。真正的學科交叉應當建立在學科間一種“融合與合作關系”基礎之上。生命科學可以刺激其他學科產生新的的機遇和挑戰，而物質科學除了對生命科學輸入技術支持外🧊，更應提供學科特有的思維👮‍♂️、概念和方法。

“生命系統好比一輛汽車，現今的情況是👨🏿‍🦲，找到了這輛汽車的各個零部件🚶‍♂️，還有一部‘看不懂的裝配汽車的天書’，但二者加在一起還是不知道車是如何開動的🫲🏻😓。”定量生物學中心主任湯超用這樣一個比喻描繪了現今生命科學的尷尬處境🎗。“嚴格地講生命科學甚至還不能算是理科，因為這個學科還缺少成熟的定量理論👩‍🌾👨‍❤️‍💋‍👨。而讓生命科學跨入理科的行列，正是我們的目標。”

堅定的言語後，是純粹的學術理想，屬於湯超🥷🏽，屬於定量生物學中心的每一個人：上可以去追溯生命的數學語言，下可以觸及新藥合成等應用的前沿🧘🏼‍♀️。他們視普適原理為星，仰望星空；以定量手段為地，腳踏實地🥝，用自己的辛勤工作詮釋著理論的雙重價值：

理論是目的。

理論也是工具。

“我們必須知道，我們將會知道。”

編輯：歆琴

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