冷冻光学显微镜技术在光合作用研究中的发展与应用

张先骏

物理学报, 2024, 73(22): 229201

DOI: 10.7498/aps.73.20241072

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摘要：在植物中，光合作用的高效光电转化效率归因于色素蛋白复合体中所建立的强大捕光网络与灵活的能量转移机制。对色素蛋白复合体结构与功能的解析是光合作用研究中的重要方向，对人工光合作用研究和能源可持续发展战略具有指导意义。随着冷冻电子显微镜的快速发展，大量复合体的精密结构得以解析。冷冻光学(光谱)显微镜是冷冻电子显微镜的重要互补技术，发展至今已有约35年的历史。该方法通过光谱特征可精确识别多种色素蛋白复合体，而低温成像不仅有效地抑制了单个复合体或细胞样品的光损伤，还限制了复合体中色素间的uphill能量转移，从而提高荧光量子收率。冷冻光学显微镜不仅成为表征单个蛋白质的结构动态与捕光功能的有力工具；还为可视化和定量复杂的光合成分在细胞体内的空间分布提供了可能性。因此，该技术的应用极大地发展了在微观尺度下分析色素蛋白结构与功能的研究领域，这对于光合作用研究体系的推进具有重大意义。本文从单分子光谱与单细胞光谱技术两方面总结了冷冻光谱显微镜技术在自然光合作用中的主要应用与取得的成果，其中包括探究色素蛋白复合体的捕光功能与蛋白质动态的关联，复合体中能量异质性的表征，在细胞体内可视化光合蛋白的能量调控机制等。

光电压瞬态技术：实时分析膜界面动态过程的新手段

窦玉江，李文文，魏裕双，杨恺，元冰

物理学报, 2024, 73(21): 218701

DOI: 10.7498/aps.73.20241093

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摘要：活性分子与细胞膜之间的相互作用在许多基本的生物过程中扮演着至关重要的角色，然而如何实现对此界面动力学过程的原位、实时、无标记且无侵入监测仍是生物物理研究领域所面临的一大挑战。我们与合作者开发的光电压瞬态技术，为解决这一问题提供了一种新途径。该技术利用硅片光电响应生成电荷，并将磷脂膜的充放电过程记录为电压瞬态脉冲、建立了该充放电过程与界面瞬时结构和性质之间的关联性。因此，通过对随时间演化的电压脉冲进行分析，可以揭示活性分子作用下膜结构实时动态变化情况，尤其是不同作用状态之间转换的时间信息，可作为传统技术的有益补充。同时，该技术设备搭建成本低廉，操作方便，无需复杂的数据处理过程。本综述概述了光电压瞬态技术的工作原理、设备搭建以及数据处理方法，并以经典细胞膜模型——磷脂双层膜为例，总结了该技术在探索磷脂膜水合特性及其与活性分子(如表面活性剂、聚合物、多肽和纳米颗粒)相互作用机制方面取得的最新进展。最后就该技术优缺点进行讨论并展望未来发展前景。

心律失常的多尺度建模、计算与动力学理论进展综述

黄晓东，贺彬烜，宋震，弭元元，屈支林，胡岗

物理学报, 2024, 73(21): 218702

DOI: 10.7498/aps.73.20240977

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摘要：心律失常是当前生物物理交叉学科中发展得比较成熟的一个分支，在实验和理论方面均取得了丰硕的成果。近年来，随着实验数据的积累，人们在多个尺度上发现了更丰富多样的心律失常诱因，这对物理学的研究提出了新的需求和挑战。因此，心肌系统的多尺度建模、计算和动力学分析是心律失常领域进一步发展的关键。本文旨在对这个课题进行一个阶段性的回顾，扼要介绍心肌多尺度建模的基本理念和方法，并以尺度为脉络，介绍近年来在心律失常机制理论方面取得的若干重要成果。现有成果表明，非线性动力学、斑图动力学和统计物理对心律失常的基本认识和理论的发展具有重要的意义。未来的研究应在拓展模型尺度(向更微观和宏观方向拓展模型)，解决心律失常基础动力学问题(如非均匀系统的稳定性、斑图的相变理论)，以及解决更复杂而基本的生理医学问题(如心率变异、人群心律失常发生概率风险的评估)等方面继续深入探索。

具有不同扩散系数的活性手征粒子分离

李晨璞，吴魏霞，张礼刚，胡金江，谢革英，郑志刚

物理学报, 2024, 73(20): 200201

DOI: 10.7498/aps.73.20240686

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摘要：近几年对活性粒子的研究已成为很多领域研究者关注的重要课题之一，其中关于活性手征粒子的相分离问题具有重要的理论和实际意义。本文通过朗之万动力学研究了具有不同扩散系数的活性手征粒子组成的二元混合系统中粒子的相分离。较小的相对扩散系数有利于“冷”粒子形成大的团簇而分离，较大的相对扩散系数则会减弱分离效果。由于粒子特征(自驱动速度、自转角速度)和相对扩散系数对粒子间碰撞作用的影响，系统要使“冷”“热”粒子达到相分离，自驱动速度和自转角速度的增大(或减小)不能同步，自驱动速度的相对变化率要小于自转角速度的相对变化率。通过分析“冷”粒子有效扩散系数的变化，系统相分离现象得到了很好的解释。有效扩散系数较小意味着“冷”粒子会聚集形成较大的团簇，系统可出现相分离现象，而当有效扩散系数较大时“冷”粒子的扩散较强，不会形成大的团簇产生相分离。另外，随着粒子填充率的增大“冷”粒子最大团簇粒子数占比曲线进行先增大后减小的非单调变化，每条曲线存在一段最优粒子填充率宽度。相对扩散系数和自驱动速度的增大，会使曲线的最优填充率宽度变窄并向右偏移。

融合结构知识的蛋白质预训练模型进展

汤天一，熊翊名，张睿格，张建，李文飞，王骏，王炜

物理学报, 2024, 73(18): 188701

DOI: 10.7498/aps.73.20240811

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摘要：自然语言和图像处理领域引发的人工智能革命给蛋白质计算领域带来了新的思路和研究范式。其中一个重大的进展是从海量蛋白质序列通过自监督学习得到预训练的蛋白质语言模型。这类预训练模型编码了蛋白质的序列、进化、结构乃至功能等多种信息，可方便地迁移至多种下游任务，并展现了强大的泛化能力。在此基础上，人们正进一步发展融合更多种类数据的多模态预训练模型。考虑到蛋白质结构是决定其功能的主要因素，融合了结构信息的蛋白质预训练模型可更好地支持下游多种任务，本文对这一方向的研究工作进行了介绍和总结。此外，还简介了融合先验知识的蛋白质预训练模型、RNA语言模型、蛋白质设计等方面的工作，论了这些领域目前的现状、困难及可能的解决方案。

基于无监督学习方法的细胞膜内单分子扩散运动分析：胆固醇对模型膜和活细胞膜流动性的不同影响

谭金鹏，张婉婷，徐成，卢雪梅，朱文圣，杨恺，元冰

物理学报, 2024, 73(18): 188702

DOI: 10.7498/aps.73.20240915

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摘要：单分子运动追踪是研究软物质体系尤其是生命体系动力学过程和分子相互作用的重要方法，但如何理解生命体系中单分子运动行为的复杂性仍是一个巨大的挑战。针对这一问题，本工作提出了一种可对单分子轨迹进行高效识别和分类的、基于无监督学习的“两步归类法”：首先利用熵约束最小二乘法对扩散轨迹的受限程度进行区分，继而通过统计检验将非受限轨迹划分为亚扩散、正常扩散和超扩散等不同运动模式类型。利用该方法，本工作解析了DOPC模型细胞膜和活细胞膜内的单分子扩散运动特征，揭示了胆固醇成分对二者的差异影响。结果显示：模型膜和活细胞膜均包含多种不同的扩散模式；在DOPC模型膜体系中，胆固醇成分会阻碍膜内的分子扩散运动，且阻碍程度与胆固醇含量正相关；在活细胞体系中，分子运动速率显著低于模型膜体系，并且，胆固醇的去除会进一步减慢分子扩散速率。本研究有助于从单分子运动角度深入理解生物分子运动行为的复杂性及其对体系环境的依赖性。

活性三嵌段共聚物的凝胶化转变

石子璇，金燕，金奕扬，田文得，张天辉，陈康

物理学报, 2024, 73(17): 170501

DOI: 10.7498/aps.73.20240796

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摘要：活性物质的自推进特征引发了许多非平衡自组织现象，而聚合物链的构象自由度可以使链产生独特的平衡自组装行为，这激发了活性物质与聚合物物理的交叉研究。本文通过分子动力学模拟，研究了自驱动活性对ABA 型三嵌段共聚物凝胶化转变的调控。研究结果表明活性嵌段共聚物凝胶的塌缩源于自驱动活性引起的网络链运动，活性越大则凝胶网络越容易产生大直径空洞。在凝胶网络的拓扑缺陷方面，当A嵌段之间吸引强度较大时，环链比例随活性力增强而增大，吸引强度较小时情况则相反。交联点的分支数随活性的变化除了受到吸引强度的影响，还与链刚性有关。在动力学方面，活性聚合物的定向运动会引发稳定聚合物凝胶整体的反常扩散。本文的研究有助于增进对活性聚合物集体行为的认识，为高分子活性材料的设计和应用提供了新的思路。

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