基本信息
黎明  男  硕导  物理科学学院
电子邮件: liming@ucas.ac.cn
通信地址: 北京市石景山区玉泉路19号(甲)
邮政编码: 100049

研究领域

理论生物物理学。主要研究兴趣是生物大分子结构与力学、生物分子马达理论、生物系统的统计物理学及热力学等。

招生信息

具有物理学基本知识以及一定计算机编程能力的本科生。
招生专业
070201-理论物理
招生方向
理论生物物理,统计物理

教育背景

1999-09--2006-07   中国科学院理论物理研究所   学生
1995-09--1999-07   中国科学技术大学   学生
出国学习工作
2006.4-2006.7 访问美国加州大学圣巴巴拉分校Kavli理论物理研究所,参加该所举办的“New Physical Approaches to Molecular and Cellular Machines”国际研讨班。
学历
中国科学院理论物理研究所 -- 研究生
学位
中国科学院理论物理研究所 -- 博士

工作经历

2006.8至今,在国科大物理学院任教,现职为教授。 
2009、2011、2013、2014、2016年获评国科大优秀个人。

工作简历
2017-12~现在, 国科大物理学院, 教授
2010-05~2017-11,国科大物理学院, 副教授
2006-08~2010-05,中国科学院研究生院, 讲师

教授课程

现代生物物理学
现代生物物理学专题讨论
高等电动力学(电子信息类)
现代生物物理学概论
文献阅读课二班
现代生物物理前沿系列讲座
文献阅读课三班(凝聚态物理专业选修)
文献阅读课三班
高等电动力学(电子信息类)
文献阅读课-凝聚态物理专业
文献阅读课-其他
现代生物物理概论
文献阅读课-其他 (只限物理学院一年级硕士生选修,全年计1学分)
文献阅读课
文献阅读课(限物理学院学生选修)
生物物理学概论

出版信息

   
发表论文
(1) Proofreading of DNA Polymerase: a new kinetic model with higher-order terminal effects, J. Phys.: Condens. Matter, 2017, 通讯作者
(2) 驱动马达力学化学耦合机制研究进展, 物理学报, 2016, 第 1 作者
(3) 基于氨基酸位置特异性的蛋白质Loop区结构预测改进方法, 物理学报, 2016, 通讯作者
(4) A general theory of kinetics and thermodynamics of steady-state copolymerization, J. Phys.: Condens. Matter , 2015, 通讯作者
(5) Influences of the Structure of Lipids on Thermal Stability of Lipid Membranes, Commun. Theor. Phys., 2015, 通讯作者
(6) Preparation and Self-Assembly of Supramolecular Coil−Rod−Coil Triblock Copolymer PPO−dsDNA−PPO, Macromolecules, 2015, 通讯作者
(7) Formation and Dissociation of Protonated Cytosine-Cytosine Base Pairs in I-Motifs by Ab Initio Quantum Chemical Calculations, Chinese Physics B., 2014, 第 2 作者
(8) Mechano-chemical selections of two competitive unfolding pathways of a single DNA i-motif, Chin. Phys. B, 2014, 通讯作者
(9) A New Cooperation Mechanism of Kinesin Motors when Extracting Membrane Tube, Commun. Theor. Phys. , 2013, 通讯作者
(10) A theoretical study of entropy-driven polymer transport through finite-size nanochannels,  Chemical Physics Letters, 2013, 第 2 作者
(11) Master equation approach for a cross-bridge power-stroke model with a finite number of motors, PHYSICAL REVIEW E, 2013, 第 2 作者
(12) Study of Folding and Unfolding Kinetics of DNA i-motif by Stopped-flow Circular Dichroism, Langmuir, 2012, 通讯作者
(13) The neck linker of kinesin 1 seems optimally designed to approach the largest stepping velocity: a simulation study of an ideal model, J. Phys.: Condens. Matter, 2012, 通讯作者
(14) Substeps of kinesin studied with a neck linker swing model, Modern Physics letters.B, 2010, 通讯作者
(15) Investigation on Energetic Optimization Problems of Stochastic Thermodynamics with Iterative Dynamic Programming, Commun. Comput. Phys., 2010, 通讯作者
(16) Mechanochemical coupling of kinesin studied with a neck-linker swing model, Communications in Theoretical Physics, 2009, 第 1 作者
(17) Force-velocity relations for multiple-molecular-motor transport, Phys. Rev. E, 2009, 
(18) Study of axial strain-induced torsion of single-wall carbon nanotubes using the 2D continuum anharmonic anisotropic elastic model, New J. Phys, 2009, 第 2 作者
(19) Concentration-Induced Shape Transition of Nano-aggregates in Solution, Thin Solid Films, 2008, 第 1 作者
(20) DNA as active polymer: long-range allosteric effect and chromatin loop structure, Computer Physics Communications, 2007, 通讯作者
(21) Soft Control on Collective Behavior of a Group of Autonomous Agents by a Shill Agent, Journal of Systems Science and Complexity, 2006, 第 2 作者
(22) Long-Range Allosteric Effect of DNA and Chromatin Loop Structure, AAPPS Bulletin, 2006, 通讯作者
(23) An exact numerical method to calculate the base-unpairing probability for any given DNA sequence by Benham model, Thin Solid Film, 2006, 通讯作者
(24) Predicting the function of eukaryotic scaffold/matrix attachment regions via DNA mechanics, J. Phys.: Condens. Matter, 2005, 通讯作者

科研活动

1, Oral presentation (Biophysics session): Prediction on Scaffold/Matrix Attachment Regions (S/MARs) by DNA Mechanics, 4th OCPA Joint Meeting of Chinese Physicists World-Wide, June.28-July.1, 2004, Shanghai

2, Poster: Microstructure of Chromosome and Topological Problems in Gene Regulation, 5th International Conference on Biological Physics ICBP 2004, Gothenburg, August 23 - 27, 2004

3, 2006.4-2006.7, visiting KITP at UCSB, the international workshop  “New Physical Approaches to Molecular and Cellular Machines”

4, Oral presentation: long-range allosteric effect in gene transcriptional regulation,International Symposium on the Recent Progress in Quantitative and Systems Biology, Dec..9-11, 2006, Chinese University of Hong Kong 

5, invited talk:  Introduction to Biomolecular nanomachines and related thermodynamics, 2008.7.11, SFI-ITP International Summer School on Complex Systems, Beijing 

6, invited talk: DNA as active polymer: long-range allosteric effect and gene transcription, 2009.7.17, CAS Workshop on DNA Nanotechnology, Beijing 

7, Two posters at the 7th International Conference on Biological Physics, June 18-25, 2011, UCSD, USA
(1)Kinesin Neck Linker is Optimally Designed to Achieve the largest stepping velocity: a Simulation Study;
(2)A Molecular Simulation Study on the Allosteric Mechanism of Na+ - coupled symporter BetP.

8, 关于步行马达kinesin结构优化的一点思考”,邀请报告,海峡两岸生物学启发的理论科学问题研讨会(BITS8),2012.6.20-25,三峡大学,湖北宜昌 

9,“kinetics and thermodynamics of stationary copolymerization processes”,邀请报告,海峡两岸生物学启发的理论科学问题研讨会(BITS9),2014.6.26-28,中原大学,台湾 

10, “DNA聚合酶保真度问题的理论研究”,邀请报告,2014年生物物理理论与实验技术进展研讨会,2014.12.6-7, 贵州大学   

11, “Flux‐driven information generation: a general theory of steady-state copolymerization”, 分会场报告,第三届全国统计物理与复杂系统学术会议,2015.7. 22‐24, 兰州 

12, “Theoretical models of the steady-state kinetics and fidelity of DNA/RNA polymerase”, 邀请报告,第十次鼓岭科学会议, 2015.10.23-24, 厦门大学


13,Proofreading of DNA/RNA Polymerase: a new kinetic model with higher-order terminal effects,邀请报告,第十届海峡两岸生物学启发的理论科学问题研讨会(BITS10),2016.6.20-22, 上海-扬州,

 

14, A general theory of steady-state copolymerization with applications to DNA replication by DNA polymerase, “非平衡统计物理分会场口头报告(oral presentation, 26届国际统计物理大会(26th International conference on Statistical Physics of IUPAP), 2016.7.18-22,法国,里昂


科研项目
( 1 ) DNA/RNA聚合酶“聚合-剪切校验”机制的统计物理学研究, 主持, 国家级, 2017-01--2020-12
( 2 ) 生物体系信息传递保真度问题的动力学及热力学理论研究, 主持, 国家级, 2012-01--2014-12
( 3 ) DNA杂化体系的多层次可控组装及调控机制研究, 参与, 国家级, 2011-01--2014-12
( 4 ) 分子马达能量利用的经济性问题研究, 参与, 国家级, 2011-01--2013-12

合作情况

与中科院理论物理所欧阳钟灿院士、王延颋研究员、北京师范大学涂展春教授、国家纳米中心戴陆如研究员、清华大学刘冬生教授等在理论或实验方面有紧密的合作。

理论生物物理简介

生物物理学是物理学与生命科学交叉的前沿研究领域,其最终目的是从物理层面解释各种生命现象。从物理角度看,生命体是最复杂也最精妙的非平衡开放系统,它通过复杂的内部机制,持续地与环境之间进行物质、能量和信息的交换,并由此达到自维持及自复制的目的。构成这些内部机制的基本物质单元是细胞中的生物大分子机器DNA、RNA和蛋白质。它们通过复杂而特异的相互作用完成精细识别,从而对细胞中各种物理、化学过程进行特异性调控,使细胞展现出精妙、多变的生命活动(例如,细胞分裂、运动,遗传信息表达)。研究这些分子机器及其相互作用是生物物理学的重要内容。随着近20年来单分子生物物理技术的快速发展,人们已经能够直接研究单个分子机器,与生命过程密切相关的的基本物理问题陆续被提出。例如,分子机器自组装或自组织的物理机制是什么?它们如何在热涨落的环境中稳定工作?如何利用化学能产生机械运动或生成信息?其能量利用效率如何?分子机器的结构设计和优化原则是什么?此外,细胞中各种化学反应模块(例如基因调控模块)如何在热涨落环境中协同工作?,等等。这些问题都指向一个核心,即,大量不可靠(含剧烈热噪声)的元件如何构成总体上稳定、有序的生命系统?这对理论物理学、尤其是统计物理学研究构成了巨大挑战。目前,这些难题都没有答案,还需要生物学、物理学、化学、数学、计算机科学、工程学等多学科的长期密切合作。我们小组围绕上述问题开展理论研究,结合随机过程理论及分子动力学等计算模拟方法,重点研究DNA、蛋白质等生物分子机器的结构、运动机制及能量学,同时也研究相关的非平衡统计物理学。

典型生物分子机器之kinesin

驱动蛋白(kinesin)是细胞中最重要的分子“搬运工”之一。形象地看,它是“两条腿”的步行纳米机器,能利用ATP水解的化学能在微管轨道上产生定向步行,从而运送囊泡。作为自然进化的杰出产物,驱动蛋白在分子结构及相关物理性质方面达到了高度优化,使其能够在热涨落环境中稳定工作,其工作机制、结构设计和优化原理是生物物理学研究的热点。我们对其关键部件neck-linker进行了MD模拟,并建立了简化的马达运动模型,结果表明neck-linker的长度、刚度与马达速度之间存在着匹配关系,意味着驱动马达可能已在速度方面已经达到了进化优化[J. Phys.: Condens. Matter 24 (2012) 035105].
关于该分子马达的更多细节可参看https://en.wikipedia.org/wiki/Kinesin





典型生物分子机器之DNA

活细胞中的基因组DNA并非静态的遗传信息载体。对于中温生物,其基因组DNA通常处于负超螺旋态的非平衡态,负超螺旋对DNA分子的结构及功能有显著影响。我们详细研究了处于该状态的DNA的力学性质,计算了真实DNA序列局域解链(local denature)的特征。研究发现,整体拓扑约束会导致DNA不同解链区域之间存在着长程相互作用。通过与基因库数据的比较和分析,进一步发现这种长程相互作用与基因转录调控之间存在着显著的统计关联。本工作首次从理论上提出了DNA负超螺旋参与基因转录调控的一种长程变构机制(long-range allosteric)[ J. Phys.: Condens. Matter, 2005,17:S2853-S2860]。







典型生物分子机器之DNA Polymerase

DNA 聚合酶(DNA polymerase)司职DNA 复制,是细胞中最重要的信息分子机器(麦克斯韦妖)。它不仅是分子生物学和生物物理学研究的重要对象,并且已经有多种DNAP 广泛应用在DNA 体外扩增(PCR 技术)、单分子测序、生物计算机等方面,具有极大的应用潜力。作为遗传信息的复制者和守护者,DNA聚合酶不仅要快速合成新生DNA,而且要确保复制出错率尽可能低(即,高保真复制)。为此,DNA聚合酶进化出了专门的“校验”位点来减小复制差错率。综合最近的实验数据,我们对DNA聚合酶提出了一个完整的“聚合-校验”动力学理论模型,进行了详细的模拟和解析计算,结果表明DNA聚合酶可以高效地利用高阶末端近邻效应来完成校验。本工作第一次对包含高阶效应的“聚合-校验”动力学模型给出完整的理论分析,并对复制保真度给出了简明直观的解析表达式。相关文献:J.Phys.: Condens.Matter, 27(23):235105 (2015);J.Phys.: Condens.Matter 29:025101(2017)  [本文被该杂志选为2017年年度亮点工作,http://iopscience.iop.org/journal/0953-8984/page/Highlights-2017].

 




译著

( 1 ) 《生物物理学:能量、信息及生命》(黎明、戴陆如 主译), 上海科学技术出版社, 2006, 2009
( 2 ) 《软物质-构筑梦幻的材料》(田珂珂、戴陆如、黎明 译), 上海科技教育出版社, 2013

(3) 《生物物理学:能量、信息及生命》(修订版,第二版), 上海科学技术出版社, 2016