利用新的理论框架更深入地观察摇摆不定的分子

虽然包括人工智能在内的新技术为越来越多问题提供了创新的解决方案，但这些工具的优劣取决于训练它们的数据。

在分子生物学领域，从运动中的微小生物系统获取高质量数据(这是构建下一代工具的关键步骤)就像尝试拍摄旋转螺旋桨的清晰照片一样。

正如需要精确的设备和条件才能清晰地拍摄螺旋桨一样，研究人员需要先进的技术和精心的计算才能准确测量分子的运动。

马修·刘 (Matthew Lew) 是华盛顿大学圣路易斯分校麦凯尔维工程学院普雷斯顿·M·格林电气与系统工程系副教授，他开发了新的成像技术来揭示纳米级生命的复杂运作。

尽管它们极其微小——比人类的头发小 1,000 到 100,000 倍——但蛋白质和 DNA 链等纳米级生物分子几乎对所有生物过程都至关重要。

科学家依靠不断进步的显微镜方法来深入了解这些系统的工作原理。传统上，这些方法依赖于简化的假设，而这些假设忽略了分子行为的一些复杂性，这些行为可能是不稳定和不对称的。然而，Lew 开发的一个新理论框架将彻底改变科学家测量和解释摇摆分子运动的方式。

在7 月 18 日发表在《物理化学 A 杂志》上的一篇封面文章中，电气工程博士生 Weiyan Zhou和 Lew 介绍了一个详细的模型，该模型可以帮助科学家更准确地描述和测量分子的运动方式。

传统测量技术假设分子在圆锥体内向各个方向均匀摆动(各向同性扩散模型)，而 Lew 则放弃了这种简化，以反映更复杂的生物环境中分子行为的真实本质。

为了获得最佳数据，Lew 说，研究人员必须考虑到真实分子通常表现出各向异性扩散，这意味着它们会根据指向的方向以不同的方式旋转和平移，而这又取决于它们的形状或局部环境。

“目前生物物理学中最新的问题和最大的挑战涉及生物分子如何在其所处的环境中旋转或改变其构象，”Lew 说。“我们谈论的可能是从遗传密码翻译出来的蛋白质、细胞表面受体与邻近细胞的信号分子相互作用或对抗攻击性病的抗体。

“光学显微镜已经非常繁荣，以至于你可以观察生物并了解它们如何随时间移动和进化，现在的问题是，我们能否添加更多细节来了解这些生物系统实际上是如何运作的?我们如何才能精确地测量分子在现实环境中随时间变化的方向?” Lew 说。

Lew 的创新方法不仅仅是更准确地拾取旋转信号。他和他的团队还考虑了如何处理噪音和扰动，以及仪器设计如何影响测量这一典型的工程问题。

在实际测量中，图像中量子散粒噪声引起的随机波动可能会使结果产生偏差。Lew 的框架考虑了这些系统性误差，并估计了误差可能如何影响分子摆动的测量，为更精确地研究复杂生物系统中的分子旋转动力学铺平了道路，而传统显微镜根本无法看到方向细节。

这种精度的提高在免疫学等应用中尤其有价值，因为在免疫学中，详细了解抗体的功能对于了解其有效性至关重要，或者在研究生物分子凝聚物时，这些凝聚物会随着时间的推移而移动、相互作用、自我组织和进化，而科学家仍然无法完全理解这些方式。Lew 说，测量这些运动中的生物分子(而不是冻结在显微镜载玻片上)对于了解真正发生的事情至关重要。

“我们现在知道，单个生物分子对生物物理系统的运行有着巨大的影响，”Lew 说道。“借助我们新的数学框架，我的实验室将能够设计新的仪器和新的图像处理算法，以消除噪声，从而对单个分子进行精确的高维测量。这些基础性进展将产生深远的影响，帮助我们更详细地了解生物物理系统的工作原理。”