生物物理學家開發出復雜的成像技術。 圖片來源：生物物理學組織網
◎本報記者 劉 霞
據發表于《自然》雜志網站的一篇文章解釋，生物物理學指在跨越分子、細胞、組織和生物體的尺度上研究生物的物理現象和物理過程的學科，它利用物理學的原理和方法來理解生物系統。
西班牙《世界報》網站在近日的報道中指出，生物物理學能夠讓斷骨再生，或者將藥物送達人體內某個器官，甚至揭示生命的奧秘，已經成為當前最具前景的研究領域之一，有可能掀起下一輪醫學革命。
兩門學科相得益彰
生物物理學組織網報道稱，1953年，科學家們借助生物物理學揭示了DNA的結構，這一發現對于揭示DNA如何成為生命的“藍圖”至關重要。現在人們可以讀取人類和多種生物體的DNA序列，生物物理學技術對分析這些海量數據不可或缺。
生物物理學領軍者之一、美國哈佛大學物理學和應用物理學教授戴維·韋茨稱，生物物理學也可被理解為一門從大自然獲取靈感以創造新材料的學科，但人們也能反過來看：對無生命材料的研究正在幫助科學家更好地理解生命。
韋茨表示：“隨著對生物材料的理解越來越深，我們可以運用所獲知識來了解有關活體材料的事情。生物學和物理學相得益彰，因為它們提供了兩種截然不同的看待事物的方式：生物學家研究‘個別分子的每處細節’，而物理學家在分析了‘蛋白質的許多相互作用’之后，對問題形成更全面的看法。”
制造新型藥物
近年來，生物物理學最重要的應用之一是包載疫苗中核糖核酸（RNA）的納米顆粒，而取得這一成果，要歸功于科學家們從生物膜中獲得了靈感，同時運用了物理原理。
韋茨表示：“這些包載著RNA疫苗的微型膠囊是多年研究的成果，我們正努力挖掘它們的潛力，并制造出更多東西，比如新的藥物。重要的是，這種技術為科學帶來了無窮的可能性，無論是物理、化學還是生物領域，我們可以為改善這個世界貢獻很多東西。”
推進組織工程
生物物理學富有前景的應用領域之一是組織工程，即制造類似于活體組織的人工材料。這將在醫學上擁有廣闊的應用空間，如讓人們擁有為自己“量身定做”的材料來修復或替換受損器官。
這里也不能缺少起著重要作用的物理學知識。韋茨說：“如果你想要得到一種組織物，就得構造一些東西：細胞、細胞周圍的東西，你得讓它們按照某種方式生長，還必須把它們組織起來。”2016年，韋茨的團隊培育出一種人造肝臟組織，用于測試新藥物的療效。
也有一些團隊正在研究人造心臟。為了從頭開始構建人類心臟，研究人員需要復制構成心臟的獨特結構，包括重建螺旋幾何形狀——當心臟跳動時，心肌會產生螺旋幾何形狀的扭曲運動。
今年7月，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）生物工程師使用一種新的增材紡織制造方法（FRJS），開發了第一個具有螺旋排列跳動心臟細胞的人類心室生物混合模型，并證明其肌肉排列確實會顯著增加每次收縮時心室泵出的血液量，這項工作是器官生物制造向前邁出的重要一步，使人們更接近于制造用于移植的人體心臟的最終目標。相關研究結果發表于今年7月7日出版的《科學》雜志。
但韋茨警告說，這個領域并不簡單。他說：“組織工程學領域碰到的問題多如牛毛，其中一些我們正在攻克。比如要‘打印’出一塊組織，需要很多人的努力。屆時如果你骨折了，就可以去‘打印’一些東西來幫助骨頭愈合。”
他認為，雖然實現這樣的目標非常困難，但“它正在到來”。
設計更好生物材料
生物物理學對于理解生物力學也至關重要，而掌握了生物力學原理，有助于設計更好的假肢、更好的用于藥物輸送的納米材料等。
韋茨預測的另一項重大突破，正是關于在人體內運輸新一代藥物的，這些藥物有望深刻改變許多治療方法。他說：“以前，藥物往往是非常小的分子，它們很小，才能在你吞服后，通過胃進入血液系統。但現在，人們開始研究更大的分子，所以，如何運輸它們就成了必須關心的問題。”
正在用于治療新冠肺炎的單克隆抗體或細胞療法是一些已經應用的例子，但韋茨認為還有許多可能性正在顯現。他說：“我從尋找新藥和新運輸方式中看到一種巨大的機遇。隨著癌癥治療變得越來越復雜，我們需要更多精練的藥物輸送系統，可以同時提供多種具有不同化學成分的藥物。”
2019年5月，SEAS研究人員在《美國國家科學院院刊》上撰文稱，他們開發出一種納米尺寸的藥物輸送載體，可以同時更有效地提供多種藥物。該系統將低劑量的藥物遞送入小鼠乳腺腫瘤模型后，可以抑制其87%—94%的腫瘤細胞。
改進醫學成像
生物物理學家已經開發出復雜的診斷成像技術，包括核磁共振成像、CT掃描和PET掃描。生物物理學仍然是發展更安全、更快、更精確技術的關鍵，這些技術可以改進醫學成像，并帶給人們更多關于人體內部運作的知識。
2017年10月4日，瑞士生物物理學家雅克·迪波什、德裔生物物理學家約阿基姆·弗蘭克和蘇格蘭分子生物學家、生物物理學家理查德·亨德森因研發冷凍電鏡，簡化了生物細胞的成像過程，提高了成像質量，榮獲諾貝爾化學獎。
正如科學家所指出的，生物物理學是一個處于研究前沿的科學領域，正在以驚人的方式改變人們對生物學的理解和醫學實踐。
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