综述：捷克共和国的生物物理学：生物物理研究所成立70周年

本综述系统回顾了捷克生物物理研究所（IBP）七十年来的卓越成就。文章详述了其从辐射生物学研究起源，到如今在（DNA）损伤修复、（染色质）结构、（表观遗传学）和（RNA表观转录组学）等前沿领域的开拓性工作，重点介绍了在（电化学）、（圆二色谱）、（分子动力学模拟）及（显微镜技术）等生物物理方法上的重大贡献，展现了该所在全球生物物理学界的重要地位。

　　

Biophysics: basic principles

生物物理学是一门 interdisciplinary 的科学，它运用物理学的理论和方法来理解生物系统。其研究范围广泛，从细胞内的分子机制到生物体乃至生态系统的物理特性。生物物理学的目标是揭示生物分子、细胞及细胞系统结构与功能背后的物理原理，从而更深入地理解生命本身。

该领域的根源可追溯至二十世纪初，得益于寻求用物理解释生物现象的物理学家和生物学家的重大贡献。其发展的关键里程碑包括辐射的发现（Becquerel et al. 1900; Rontgen 1895），这开启了对辐射生物效应及其在医学诊断和癌症放射治疗（Kustner 1923）中应用的研究。随后，Watson 和 Crick（1953）在五十年代基于 Rosalind Franklin 的生物物理 X 射线衍射实验（Franklin and Gosling 1953）发现了 DNA 双螺旋结构，这被视为生物学的里程碑。此外，用于研究生物分子结构的核磁共振（NMR）和冷冻电子显微镜（cryo-EM）等技术的发展也被认为是革命性的生物物理方法（Bloch et al. 1946; Dubochet and Mcdowall 1981; Rabi 1937）。

数十年来，生物物理研究呈现出多种形式，包括分子生物物理学、细胞生物物理学以及系统或医学生物物理学。分子生物物理学聚焦于生物分子（如蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物）的物理特性和行为，重要研究领域包括蛋白质折叠、酶动力学以及 DNA/RNA 动力学（Bushhouse et al. 2022; Mlynsky et al. 2022; Stadlbauer et al. 2013）。细胞生物物理学则研究细胞内部及细胞之间的物理过程，包括膜流动性、相变、渗透性及其在信号转导中的作用。细胞信号传导的研究也可利用生物物理方法，例如使用荧光漂白恢复（FRAP）技术来研究细胞内蛋白质的扩散（Lippincott-Schwartz et al. 2018; Stixová et al. 2011）。

还有许多生物物理学家对系统生物物理学感兴趣，该领域整合了从分子到生态系统多个层次的生物组织，以理解复杂的生物现象。例如，神经生物物理学家研究神经系统功能背后的物理原理；其他医学生物物理学家则进行生物力学研究，探索组织和器官的机械特性，并研究物理因素如何促成生理功能，以及何种紊乱会导致人类病理生理状态。同样值得关注的还有生物物理生态学或环境生物物理学，它们致力于理解生物与其环境之间的相互作用（Campbell and Norman 1998; Monteith and Unsworth 2013）。

The Institute of Biophysics of the Czech Academy of Science:70th anniversary

在捷克共和国，第一个成立的生物物理研究所是捷克科学院生物物理研究所（IBP）。1955年1月，该研究所由扬·埃·普尔基涅大学（现马萨里克大学）医学院的生物物理实验室发展而来。研究所最初的使命是研究不同类型辐射对各种生物系统的影响。如今，研究人员利用生物物理方法研究生物系统（生物分子、细胞组分、细胞及细胞群体）的结构、功能和动力学，这些方法包括荧光蛋白技术、圆二色谱（CD）、拉曼光谱、计算模拟或核酸电化学。其研究兴趣焦点是核酸物理特性的探究。

值得一提的是，前捷克斯洛伐克的生物物理学历史与两位杰出的科学家紧密相关，他们是三十年代初在马萨里克大学工作的生物物理学家 Ferdinand Her?ík 和 Vilém Laufberger。当 Laufberger 教授于1935年将其科研活动转移到布拉格的查理大学时，Ferdinand Her?ík 则留在布尔诺，并为生物物理学作为一门科学领域得到认可做出了贡献。他还倡议并推动了布尔诺生物物理研究所新大楼的建设。Her?ík 教授的科学兴趣广泛，从放射生物学到分子生物物理学。这些兴趣促使他倡议建立一个专门致力于生物物理学，尤其是生物物理方法研究的实验室。1927年，Her?ík 教授发表了他在植物模型上进行生物物理研究的首篇独立出版物（Hercik 1927）。在其科学生涯中，Her?ík 教授通过在巴黎巴斯德研究所 Lecomte du Noüy 分子生物物理系的访问（1928, 1930-1931）深化了其生物物理学知识。随后，他前往纽约洛克菲勒研究所，在 R.W.G. Wyckoff 的生物物理实验室工作（1935-1936）。Her?ík 教授研究了各种短波辐射，特别是穿透性电磁辐射和粒子辐射（即α射线）对活体生物及其细胞的生物效应。他逐渐获得的干预理论证据引领他走向了量子生物学理论。他成为了捷克斯洛伐克生物物理学的先驱，也是捷克斯洛伐克放射生物学和放射治疗学的奠基人。1936年，Her?ík 教授被任命为普通生物学正教授。同时，他受雇于布尔诺省放射治疗研究所（今天的马萨里克纪念癌症研究所），致力于放射治疗并继续他的实验工作。从1947年起，他还致力于噬菌体的电子显微镜研究，这为捷克斯洛伐克科学开启了分子生物学领域的大门（Hercik 1964）。此外，他还当选并被任命为许多国内外机构和学会的成员，例如，从1956年起，他成为联合国科学委员会成员，随后担任主席，该委员会负责处理原子辐射效应事务，其主要办公室设在纽约。从1958年起，他先后担任维也纳国际原子能机构的专家和副主席、巴黎联合国教科文组织的放射生物学专家以及日内瓦世界卫生组织的成员。从1963年起，他成为国际辐射研究协会委员会的成员。

在七十年代初，值得提及的是研究人员积极参与了诸如 COMECON 和 Intercosmos 等国际项目，这些项目旨在进行载人和非载人太空任务及天体物理学研究。特别是，Antonín Vá?ek 博士与第一位捷克斯洛伐克宇航员 Vladimir Remek 密切合作。近年来，同样重要的是有两位欧洲分子生物学组织（EMBO）的成员长期在生物物理研究所工作。Ji?í Fajkus 教授对植物的基因组学和蛋白质组学感兴趣，专注于植物端粒的结构和功能。第二位 EMBO 成员是 IBP 的现任所长 Eva Bartová 教授，她在表观遗传学和表观转录组学领域工作，主要关注 DNA 损伤应答的表观遗传学调控。最近，她的团队发现 RNA 的特异性转录后修饰有助于受辐照人类基因组的修复过程（Kova?íková et al. 2023, 2020; Legartová et al. 2022）。

Major scientific achievements throughout the institute's 70-year history

本文旨在总结自1955年研究所成立以来，IBP 科学家取得的最重要科学成就。五十年代，全球生物物理学研究趋势很大程度上受到 DNA 双螺旋结构发现（Watson and Crick 1953）的影响。新成立的研究所的研究人员很快意识到了这些突破性成果。例如，Vladimír Drasil 博士和 Milan Nermut 博士测量了植物细胞中的细胞 DNA 含量（Nermut and Drasil 1958）。五十年代冷战时期的不幸局势刺激了研究辐射对生命物质影响的科研活动。因此，许多研究人员专注于辐射生物学，研究电离辐射在分子水平上的效应（Drasil and Soska 1958; Karpfel et al. 1959a, b; Soska et al. 1958）。Jana Slotová 博士（1998-2005年任 IBP 所长）及其同事研究了受辐照植物基因组中的修复过程（Slotová et al. 1971）。Miloslav Skalka 博士及其同事分析了暴露于γ辐射的小鼠淋巴组织中的染色质（Skalka et al. 1976）。他们的工作提供了证据，表明在受辐照细胞中，染色质被酶解成核小体单元，他们称此过程为染色质的酶促降解，后来这被称为程序性细胞死亡。他们使用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离 DNA 片段，这在当时是一项革命性的技术。

在五十年代末和六十年代初，杰出科学家 Emil Pale?ek 教授开始研究核酸和多糖的电化学性质。他的开创性研究证明 DNA 具有电化学活性，并且可以使用极谱法等生物物理技术研究其结构（Pale?ek 1960）。这一重要的分析方法是由捷克科学家 Jaroslav Heyrovsky 教授发明的，他于1959年获得诺贝尔化学奖。生物大分子（除核酸外，还包括蛋白质、多糖和糖蛋白（Pale?ek et al. 2015））的电化学，主要得益于 Emil Pale?ek 在其漫长而多产的生涯中的贡献，成为 IBP 超过六十年的一个关键研究方向（Jelen and Pale?ek 1986; Pale?ek and Bartosík 2012）。

SW的依赖性。经许可改编自Jelen和Pale?ek（1986）'>

Viktor Brabec 教授将碳电极引入电化学核酸研究，表明可以利用电化学方法研究 DNA 的构象状态（Brabec and Pale?ek 1976）。Brabec 教授继续在研究所从事分子生物物理学研究，在药理学研究背景下研究铂类化合物对 DNA 的影响（Brabec and Kasparkova 2005）。在电化学领域，Miroslav Fojta 博士参与了用于 DNA 损伤检测的电化学生物传感器的开发（Fojta 2002）以及氧化还原 DNA 标记技术的开发（Hocek and Fojta 2011）。

八十年代，核酸的生物物理研究受益于新光谱方法的出现。特别是，Michaela Vorlí?ková 教授和 Jaroslav Kypr 博士的研究小组在捷克共和国率先应用圆二色谱（CD）方法研究 DNA 结构（Vorlickova et al. 1980）。圆二色（CD）是一种源于手性分子与圆偏振电磁波相互作用的现象。对于核酸，CD 现象源于吸收紫外光的核酸碱基折叠成不对称的螺旋排列。利用 CD，作者表征了广泛的 B 型、A 型 DNA 和 RNA、左手 Z 型、鸟嘌呤四链体（G-四链体）、胞嘧啶四链 i-motif 以及其他非经典结构家族（例如，Kypr et al. 2009）。

此外，Vorlí?ková 教授的团队发现了含有三核苷酸重复序列 (GCC)_n 和 (GGC)_n 的 DNA 片段的构象特性，这些序列的扩展与严重的遗传性疾病——脆性 X 染色体综合征相关（Fojtík et al. 2004; Fojtík and Vorlicková 2001）。

九十年代，研究人员意识到需要在细胞背景下而不仅仅是作为分离分子来观察 DNA 和染色质结构。那时，由于显微技术的进步允许以高分辨率和前所未有的特异性可视化亚细胞物体，细胞生物学领域正在迅速发展。例如，Stanislav Kozubek 副教授（2009-2016年任 IBP 所长）和 Emilie Luká?ová 博士及其同事利用荧光原位杂交（FISH）技术研究暴露于γ辐射的间期细胞核中染色体和基因的重排（Kozubek et al. 1999）。他们的实验表明，恶性细胞中发生的基因组间易位可能受到基因在三维可视化的细胞核中位置的影响。细胞核的拓扑结构以及异染色质和常染色质的分子组成吸引了其他年轻研究人员的注意。利用先进的显微方法，结合使用特异性抗体对组蛋白进行免疫染色，研究人员发现染色质的表观遗传状态强烈影响 DNA 修复过程（Bartová et al. 2008），并可以通过组蛋白去乙酰化药物进行调节（Bartova et al. 2008, 2011）。这些工作对我们理解细胞对辐射的反应具有影响力。表观遗传学领域在植物研究中也蓬勃发展，其中表观遗传现象尤其显著。Milan Bezděk 博士（1990-1997年任 IBP 所长）和 Boris Vyskot 教授对胞嘧啶甲基化感兴趣，这似乎是 DNA 中最重要的表观遗传标记。通过使用去甲基化药物的精细遗传实验，Janou?ek 博士和 Vyskot 教授发现植物的性别决定可能受 DNA 甲基化的影响（Janousek et al. 1996）。此外，Ale? Kova?ík 博士的研究小组研究了植物异染色质，表明 DNA 甲基化变化可能发生在响应环境胁迫（如干旱和盐度）的植物中（Kovarik et al. 1997）。表观遗传学研究的进展需要引入新方法，这些方法已被开发用于全基因组 DNA 甲基化分析（Fulne?ek and Kovarik 2014）。

到千禧年结束时，生物学研究开始受到计算机科学的影响。快速的处理器和更强大的算法允许从头计算简单的生物结构。快速的技术进步吸引了 Ji?í ?poner 教授，他发展了分子动力学领域，允许对生物大分子过程进行计算机模拟（?poner et al. 1996）。他意识到，比仅仅维持标准螺旋结构更具挑战性的是实现对各种非标准和/或未折叠核酸结构的平衡描述，这些结构在 RNA 功能、催化、动力学和药物靶向分析中尤其重要（Zgarbová et al. 2011; Ripin et al. 2019）。

蛋白质与不寻常 DNA 和 RNA 结构（包括四链体）的相互作用由 Václav Brázda 教授（Brázda et al. 2014）和 Michal ?tros 博士（?tros 2010）研究。小 RNA 分子及其在分化和人类病理过程中的调控作用的发现激励了 Karel Sou?ek 博士及其同事，他们注意到其中一种称为 miR-34a 的 RNA 分子在特定癌症进展中起着关键作用（Slabáková et al. 2017）。

目前，IBP 致力于不断引入技术创新，如超分辨率显微镜、单细胞分析、先进的体外和体内模型或基因组编辑，以保持其研究的现代性、高效性和吸引力。其目标是提高知识和教育水平，发展生物技术，并将研究成果转化为实际应用，特别是在有害人类疾病的诊断和治疗以及现代农业领域。