英文原题：Unraveling the Dynamics of Biological Systems through Neutron Scattering

通讯作者：储祥蔷，香港城市大学

作者：Ling Guo (郭苓)，Xiangqiang Chu* (储祥蔷)

背景介绍

全面理解生物系统，需要对其分子结构与动力学进行多尺度表征，并建立其与宏观功能之间的内在关联。然而，生物系统的内在复杂性与动态过程的广阔时空跨度，使得对其动力学行为的精确表征与预测，仍是一项巨大的科学挑战。中子散射技术通过探测散射过程中中子的能量与动量转移，能够在原子和分子尺度上同时获取时空分辨的动态信息。该技术在研究生物材料时展现出不可替代的优势：对氢元素具有超高灵敏度，可利用氢/氘同位素的散射长度差异进行选择性标记与观测，并具备深层穿透、低辐射损伤及免标记等特性。因此，将中子散射技术系统性地应用于生物系统的动力学研究，正成为应对上述挑战、深刻揭示结构-动力学-功能内在联系的一个前沿与关键途径。

文章亮点

近日，香港城市大学储祥蔷教授团队在 Photon Science上发表了题为“Unraveling the Dynamics of Biological Systems through Neutron Scattering”的综述(Review)论文。该文系统阐述了中子散射技术如何为不同生物体系的不同尺度的动力学提供机理洞察，从而建立结构、动力学与功能之间的内在联系。

生物体系的动力学过程具有广阔的时空尺度，任何单一技术都难以全面捕捉。中子散射的各种谱仪在能量与时间尺度上分别具有不同的分辨率和覆盖范围，从而能够协同区分和捕获不同的动态过程（图一）。具体而言，非弹性中子散射（inelastic neutron scattering, INS）专注于能量转移较大的过程，可用于探测如化学键振动等周期性运动，揭示飞秒至皮秒尺度的超快动态。准弹性中子散射（quasi-elastic neutron scattering, QENS）则依托飞行时间与背散射谱仪，捕捉皮秒至纳秒尺度内的弛豫动力学，例如蛋白质侧链的局域扩散及脂质分子的内部运动。而中子自旋回波（neutron spin echo, NSE）谱仪具备最高的能量分辨率，覆盖从皮秒至微秒的宽时域，特别适用于表征较慢、长程的集体运动，如蛋白质功能区域的协同构象变化以及生物膜的弯曲与厚度波动。蛋白质和膜的多尺度运动如图二和图三所示。综述正文以蛋白质和生物膜两大核心体系为例，深入阐释了这些技术的应用。研究表明，蛋白质从局部侧链运动到结构域和集体构象变化的多尺度动态，直接调控着酶催化、抗原识别等关键功能；而对生物膜的研究，则能定量表征其弯曲模量等关键力学参数，将纳米力学特性与生物学功能直接联系。在接近生理条件的复杂系统中，中子散射进一步展现出其独特价值。例如，通过研究活体细菌、细胞质环境乃至多细胞真核生物，中子散射能够揭示例如大分子拥挤环境对蛋白质和细胞器动态的影响，以及细胞内水在生理过程中的关键作用。

图一：中子散射谱仪的时空尺度覆盖范围及其对蛋白质/膜动力学的探测能力。橙色、深蓝和浅蓝色区域分别对应三种常用的准弹性中子散射（QENS）谱仪：飞行时间（TOF）、背散射（NBS）和中子自旋回波（NSE）。红色字体代表蛋白（P）和膜（M）的运动。灰色区域及黑线代表其他常用技术。

图二：蛋白质的多尺度动力学示意图。(a) 化学键旋转振动及局部扩散弛豫。(b) 构象与结构域运动。(c) 蛋白质整体平移旋转扩散。图中的蛋白例子为免疫球蛋白（Ig, PDB: 1IGY）。

图三：生物膜的多尺度动力学示意图。(a) 化学键旋转与振动；(b) 脂质分子内部运动；(c) 脂质分子横向扩散；(d) 膜厚度波动；(e) 膜弯曲波动。

为全面阐释生物系统的复杂动力学行为，中子散射常与多种技术及计算方法协同整合，构建起强大的多尺度研究平台。例如，分子动力学模拟为实验数据提供原子尺度的动态轨迹解析，二者相互验证，深化对机制的理解；人工智能技术则被用于处理海量散射数据、识别复杂动态模式及预测生物功能，显著提升了数据分析的深度与效率。同时，中子散射还与核磁共振、X射线散射等多种实验技术联用，在不同时空尺度上共同构建出生物过程的完整动态图景。这种多层次、多技术的交叉融合，正推动我们对生命过程动态本质的理解走向纵深。

总结/展望

该综述系统阐述了中子散射技术在解析蛋白质、生物膜及复杂生物系统等多尺度动力学中的关键作用。这些研究成果充分证明，中子散射是揭示生物多尺度动力学的强大工具，有效弥合了从分子运动到宏观功能涌现之间的认知鸿沟。展望未来，尽管面临中子源稀缺等挑战，但谱仪技术的持续进步及其与分子动力学模拟等互补方法的协同整合，将推动中子散射在原子分子乃至细胞尺度动力学原理的探索中发挥更深远的影响。

相关论文发表在Photon Science上，郭苓博士生为文章第一作者，储祥蔷教授为通讯作者。

Q&A

Photon Science: 您对该领域的发展有何愿景？

储祥蔷教授：

我期待中子散射能成为生物动力学研究中的常规与核心手段。未来，我希望看到技术本身与人工智能、量子计算等前沿方法深度融合，推动领域从“观测现象”迈向“预测与设计”。例如，能够通过动态信息预测蛋白质功能，甚至指导设计具有特定动态特性的新型生物材料，最终实现从动态角度完整诠释生命过程。

Photon Science: 您对该领域的人才培养有何种倡议？

储祥蔷教授：

我强烈倡导“交叉学科沉浸式”培养。希望学生能主动打破物理、生物、化学与计算科学间的壁垒，不仅要掌握中子散射等实验技术，更要理解生物问题的本质，并具备利用计算模拟进行互补与验证的能力。我们需要的，是能同时在多个学科语境中自由思考的下一代科学家。

通讯作者信息

储祥蔷 副教授

现任香港城市大学物理系终身副教授。她本科与硕士毕业于北京大学，博士毕业于麻省理工学院核科学与工程系，后于橡树岭国家实验室进行博士后研究。曾在美国韦恩州立大学物理系任助理教授及终身副教授，并在中国工程物理研究院研究生院担任研究员。曾主持国家自然科学基金（NSFC）面上项目，NSFC联合重点项目，中国工程物理研究院重点项目，以及美国国家自然科学基金（NSF）项目。现任中国晶体学会小角散射专业委员会委员，中国物理学会女物理工作者委员会委员。其课题组致力于运用中子与X射线散射技术，结合理论模拟，深入研究蛋白质、DNA、RNA等生物大分子及纳米生物复合材料的动力学行为与功能机制。研究涵盖酶催化量子隧穿效应、极端条件下蛋白质动力学、仿生蛋白自组装及G蛋白偶联受体激活机制等多个前沿方向。她同时是城大中子散射中心成员，并长期担任多国大科学装置的评审专家。

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Photon Sci. 2025

https://doi.org/10.1021/photonsci.5c00015

Publication Date: November 10, 2025

© 2025 The Authors. Co-published by ShanghaiTech University and American Chemical Society. 

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