黎明-中国科学院大学-UCAS

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

2018-01~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

合作情况

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].

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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。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。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（高保真）。为此，DNA聚合酶进化出了专门的“校验”结构域来减小复制差错率。综合最近的实验数据，我们最近对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。本工作分为两部分。

第一部分按照生物化学家的惯例，忽略复制模板DNA序列的特异性，将复制过程近似简化为配对（R）-误配（W）的稳态共聚过程，建立相关的动力学主方程并提出了一种解析计算的方法，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] 。

第二部分工作则最大程度上考虑了模板序列的特异性以及相应的复制过程的非稳态特性，建立了基于首达过程概念的一种解析计算方法，对任意模板位置处的局域保真度和复制速度都给出近似的解析表达式，与前述稳态分析的结果一致。这个分析方法适用于任意DNA模板序列，且能够推广到RNA合成（基因转录）等其它过程，因此具有极大的普适性。相关文献：Phys. Rev. E, 2019, 100, 012131. 我们的研究也否定了生物学家长期持有的一个观念，即，保真度的提升必须以牺牲速度为代价。我们的解析结论表明，在不减小总体复制速度（甚至速度略有提升）的情况下，保真度可大大提高。这个结论有一定的普适性，也是对高阶模型的一个支持。此外，在这个理论基础上，我们对生物学实验中最常用的保真度表征方法的理论基础进行了质疑和细致的剖析，分析表明两种标准方法（定态方法、瞬态方法）只适用于测量聚合酶聚合域的保真度，而不一定能可靠地测量校验域对保真度的贡献，因此需要设计更可靠的实验方案，我们也同时提出了单分子实验方案。相关文献：Kinetic assays of DNA polymerase fidelity: a new theoretical perspective beyond Michaelis-Menten kinetics, to appear in Phys.Rev.E (2021)

译著

(1) 教材《生物物理学：能量，信息与生命》（第二版），黎明、戴陆如主译，上海科技出版社，2023

(2) 教材《生命系统的物理建模》(第二版)，舒咬根、黎明译，上海科学技术出版社，2023

(3) 教材《从光子到神经元: 光、成像与视觉》(第一版)，舒咬根、黎明译，科学出版社出版，2021

(4) 科普书《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