分子生物物理前沿：从AI建模到疾病机制的跨学科探索

《Biophysical Reviews》：Biophysical Reviews special issue associated with the Russian Autumn School in Biophysics held in Kazan, Russia, 11–14 November 2024

本期《Biophysical Reviews》特刊聚焦2024年俄罗斯喀山秋令营的最新研究成果，涵盖蛋白质结构解析、AI辅助药物设计、神经退行性疾病机制等热点方向。研究人员通过整合X射线晶体学、固态核磁共振及机器学习势函数等前沿技术，深化了对血红蛋白演化、抗冻蛋白功能、阿尔茨海默症病理等关键问题的理解，为生物物理工具在精准医疗中的应用提供了新范式。

　　

在生命科学飞速发展的今天，分子生物物理学作为连接物理化学与生物医学的桥梁，正以前所未有的深度揭示生命过程的奥秘。然而，随着研究尺度的细化与系统复杂性的增加，科学家们面临着诸多挑战：如何精准解析生物大分子的动态结构？如何高效预测药物与靶点的相互作用？又如何在分子层面阐释神经退行性疾病的发病机制？这些问题的解答亟需多学科技术的融合与创新。在此背景下，2024年11月于俄罗斯喀山举办的“秋令营生物物理学校”汇集了全球顶尖学者，其成果以特刊形式发表于《Biophysical Reviews》，系统展示了生物物理领域的最新进展。

为攻克上述难题，研究人员综合运用了X射线晶体学、固态核磁共振（NMR）、冷冻电子显微镜（cryo-EM）、机器学习势函数（MLIPs）及分子动力学模拟等关键技术，并结合临床样本与基因工程模型（如CFTR基因突变研究），从原子到系统层面开展了多尺度探索。

理论模型构建与演化分析

理论研究部分聚焦生物大分子的历史演进与数学建模。Lavrinenko等回顾了血红蛋白研究百年历程，重点阐释了Gilbert Adair提出的氧合方程对现代配体结合理论的奠基性贡献。Dzhimak团队则通过粗粒度模型模拟DNA力学特性，为基因工程中的蛋白-DNA相互作用研究提供了计算基础。Nartsissov进一步构建了代谢物对流-反应-扩散的数学模型，为生物系统内物质传输的动态分析开辟了新途径。

蛋白质结构与功能解析

蛋白质研究板块突出了技术创新与功能关联。Kirillova等综述了萤火虫荧光素酶生物传感器的优化策略，通过酶固定化技术提升其分析性能；Holyavka与Artyukhov则系统探讨了吸附、共价结合等酶固定方法，并引入人工智能优化流程。在抗冻蛋白研究中，Vorobeva团队指出当前对其生理活性的测量标准仍存争议，需联合多种物化手段验证功能。Rosenfeld等人通过对比无脊椎动物与脊椎动物纤维蛋白原的抗氧化演化，揭示了甲硫氨酸在活性氧稳态调节中的关键作用。

实验技术革新与动态监测

实验方法学方面，Nurullina等总结了核糖体X射线晶体学的里程碑式进展，强调了其在抗生素设计中的指导价值。Krumkacheva团队提出，尽管冷冻电镜已实现高分辨率结构解析，但电子顺磁共振（EPR）光谱在捕获核糖体RNA构象动态方面具有独特优势。Khodov等结合固态NMR与分子动力学模拟，阐明了脂溶性小分子与细胞膜的相互作用机制；Zuev团队则通过介电谱与NMR联用，揭示了受限环境中水分子与生物大分子的动态互作规律。

医学应用与疾病机制探索

医学相关研究直面临床挑战。Zlobina等深入分析了阿尔茨海默症中淀粉样前体蛋白（APP）与胆固醇的瞬时相互作用，为病理干预提供了新靶点。Paveliev团队推广了二次谐波成像（SHG）技术在活脑淀粉样纤维监测中的应用，覆盖了脑损伤、缺血等多个神经疾病模型。针对囊性纤维化，Safrygina与Orlov综述了CFTR基因工程治疗策略，强调通过调控离子通道功能恢复治疗潜力。此外，Rozhnova等探讨了COVID-19对男性生殖健康的长期影响，揭示了病毒跨系统作用的潜在风险。

计算方法与教育创新

计算生物学领域凸显了AI的深度融合。Kobchikova等详细比较了机器学习势函数（MLIPs）与传统力场、密度泛函理论（DFT）的优劣，指出MLIPs在平衡精度与效率方面的突破性价值。Khaibrakhmanova与Sedov则建立了定量构效关系（QSAR）与机器学习联合模型，实现了血清白蛋白-配体结合常数的高通量预测。教育层面，Orlova与Orlov反思了生物信息学课程设计的痛点，提出通过在线工具与AI辅助学习提升教学效率。

细胞生物物理与纳米技术

细胞尺度研究拓展了生物物理的应用边界。Lavlinskaya等综述了纤维素基材料在酶固定化中的优势，显著提升了催化稳定性与可重复性。Samigullin与Bukharaeva开发了膜不透性钙离子荧光指示剂，实现了运动神经末梢钙动态的精准监测。Zakharova团队设计的仿生超分子系统，通过两亲性分子模拟生物膜结构，为药物递送系统的优化提供了新思路。血液凝固研究方面，Megalinskii与Lin分别从时空动力学与表面反应角度，揭示了血流条件下凝血-纤溶平衡的调控机制。

本特刊通过27篇专题论文，系统展示了生物物理学在理论模型、实验技术、医学转化及教育创新等方面的前沿进展。研究成果不仅深化了对血红蛋白演化、酶催化机制、神经退行性疾病等经典问题的理解，更通过AI建模、纳米技术等跨学科融合，推动了生物物理工具在精准医疗、药物开发等领域的应用。这些工作为应对全球健康挑战（如COVID-19后遗症、遗传病治疗）提供了分子层面的解决方案，凸显了生物物理学作为基础科学与临床应用枢纽的重要价值。