学院新闻

  • 国科大在量子不确定关系研究方面 国科大在量子不确定关系研究方面取得重要进展

          不确定性原理是量子理论所遵从基本法则。上世纪二十年代末海森堡(Heisenberg)提出后不久,罗伯特森(Robertson)将其推广为现代量子力学教科书普遍采用的不确定关系形式 ,描述量子态对不相容物理量的不确定性限制。二十世纪中期后,熵形式的不确定关系得到发展,代表形式为 。由于具有天然的态不依赖性,普遍认为熵形式比方差形式能更深刻地反映量子不确定性的内涵。

      最近,中国科学院大学乔从丰课题组在量子不确定原理研究方面取得了一系列进展。其中一项研究结果表明,熵和方差两种不确定关系是等价的,可以相互定量转化。他们还显式地构造了一般可观测物理量的熵和方差的函数关系。通过此函数关系,任意一个熵不确定关系都可以转化为方差型不确定关系。他们的研究结果还表明,罗伯特森型不确定关系实际上仅考虑了物理量一阶矩的贡献,一个完备的方差型不确定关系应该包括物理量高阶矩的贡献。这对未来更深入理解不确定原理具有重要启示意义。他们的这个研究工作被Journal of Physics A杂志推荐以快报形式发表,最近又被评选为了该杂志2017年亮点文章(Journal of Physics A Highlights of 2017 collection, http://iopscience.iop.org/journal/1751-8121/page/Highlights-of-2017)。审稿人对文章给予了高度评价“This is a nice mathematical result, … , I find it very interesting to be able to compare the strength of VURs with EURs”。

          原文链接:http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1751-8121/50/3/03LT01

    2018-02-19
  • 国科大和理论物理所有关DNA聚 国科大和理论物理所有关DNA聚合保真度的定量研究被JPCM选为2017年度亮点工作

          DNA聚合酶(DNAP)是细胞内最重要的分子机器之一,负责催化受模板链指导的DNA链聚合过程(即通过Watson-Crick配对实现遗传信息的高保真复制),是遗传信息得以稳定维持和表达的基础。结构生物学和生物化学研究表明,典型的DNAP都包含聚合位点(Pol,记为P)以及外切位点(Exo,记为E),两位点相互协作,实现对遗传信息的高速、高保真复制,典型的保真度(即复制出错率的倒数)大约为106~109

          关于DNAP的高保真机制,已经积累了大量的结构生物学、生物化学和单分子生物学研究。目前普遍的共识是Pol与Exo两个位点分别承担不同的功能(图一)。Pol位点能选择性地催化核苷酸单体的共聚反应,即其催化位点的几何构型(大小、形状等)能较容易地容纳与模板核苷酸配对的核苷酸单体,而不容易接纳错配碱基,因此主要将配对碱基而非错配碱基添加到DNA复制链的生长端。这一“核苷选择”是DNAP高保真的第一个来源,现有实验初步确定其对保真度的贡献大约为104~106量级。另一方面,生长链的末端会在热涨落作用下摆动到Exo位点并被切除。如果末端掺入的是错配,则上述过程很容易发生;而如果末端是正确配对,则上述过程发生的概率很小,由此能实现对末端错配的高效率校对。这一“剪切校对”是DNAP高保真的第二个来源,现有实验估计其对保真度的贡献大约为102~103量级。

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    图一  DNAP两位点相互协作的“共聚-校对”过程示意图。

          早在1970年代,著名物理学家J.Hopfield就指出上述复制保真度不可能源于配对和错配之间的热力学(自由能)差别,而是源于两者的动力学(反应速率)差异。此后大量实验对Pol、Exo两位点的催化动力学分别进行了细致的实验研究,但由于理论分析上的困难(如下),长期以来一直缺乏一个系统的理论框架能将所有动力学信息整合起来,从而精确预测、计算复制速度、保真度等重要物理量。理论分析最核心的困难在于一旦引入了“剪切校对”过程,则描述整个“共聚-校对”过程的动力学方程将变为无穷多个级联方程组,数学上没有现成的方法可以解析求解这类方程组。此外,DNAP的共聚反应、校对反应中还可能存在高阶的末端近邻效应(即,添加或剪切末端单元的速率可能都依赖于其近邻的多个单元),这类效应可能对DNAP保真度有显著影响,例如,当生长链末端发生错配时,若下一步聚合的速度降低、而末端被转移剪切的速度升高,则这个一阶近邻效应会显著提升校对效率(即提升保真度)。这类高阶近邻效应对于动力学建模和分析引入了额外的复杂性和难度。

          正对上述复杂情况,国科大物理学院黎明和理论物理所舒咬根等综合各种实验观测结果,提出了一个完整的DNAP“共聚-校对”反应模型(图二),建立了系统的定态动力学的理论分析框架,并对相应的无穷大级联方程组给出了精确、系统的数学处理,从而能将已知的动力学信息整合起来,计算预测保真度等重要物理量。特别是,针对含有任意阶近邻效应的保真度问题(例如图三所示的一阶、二阶效应),他们在相当宽的参数范围内导出了保真度的近似解析表达式(图四),系统、直观地揭示了Pol、Exo两位点的各阶近邻效应如何相互匹配从而决定了最终的保真度,并且明确了决定保真度的极少数关键动力学参数。在此基础上,结合DNAP中双链DNA的特殊结构数据,他们进一步提出,典型的两位点DNAP应该存在着一阶直到四阶的近邻效应、且各阶效应的量级大致相当,从而高阶近邻效应对校对效率的贡献可能将大大高于目前认可的值(102~103量级),这一预测将在未来的实验中得到检验。

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    图二  DNAP“共聚-校对”动力学模型 

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    图三  最小“共聚-校对”动力学:一阶近邻效应(左),二阶近邻效应(右)

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    图四  h-阶近邻效应对保真度的贡献。Φ是总体保真度,Φs表示Pol位点“核苷选择”的贡献,Φe表示Exo位点“剪切校对”的贡献。

          上述研究成果发表于J. Phys.: Condensed Matter 29 (2017) 025101。论文得到了审稿人的高度评价,并被选为当期的亮点工作在其官网上介绍 (https://jphysplus.iop.org/2017/01/26/a-quantitative-understanding-of-high-fidelity-dna-polymerase/)。2018年2月,论文又被该杂志选为2017全年度的亮点工作之一进行推荐介绍(http://iopscience.iop.org/journal/0953-8984/page/Highlights-2017)。

          该工作还先后受邀在首届生物马达国际会议(Aug. 16-19, 2017, Ohio, USA)和第11届国际生物医学工程和系统联席会议(BIOSTEC 2018, Jan. 19-21, Funchal, Madeira, Portugal)上作邀请报告。

    2018-02-08
  • 实验物理教学中心召开研讨会 实验物理教学中心召开研讨会

          2018年1月10日,物理科学学院实验物理教学中心在物理所召开了研讨会。《近代物理实验》、《基础物理实验》、《综合物理实验》各主讲,《模拟与数字电子技术基础》主讲及实验技术人员共计30余人参加了本次会议,会议历时7小时。

          实验物理教学中心主任郭建东教授首先感谢实验团队在本学期实验课的教学工作,并希望通过研讨促进中心教学工作的提升。随后王帅介绍了学生、教务部门对本学期实验课程开展的部分反馈,以及2017年中心在内容、设备和人员上的增补情况。

          李世亮、董明义、尹彦三位老师向会议做报告,介绍了负责项目的学生表现和教学经验,评分方法。梁学锦老师介绍了《模拟与数字电子技术基础》理论和实验教学的结合以及选课学生的实验情况。与会人员进行了充分的讨论,沟通了各级实验课程的内容衔接,提出了现有条件下保障学生实验积极性的教学改革方法。与会人员还讨论了2018年中心实验教学资源建设的工作安排。

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    实验物理教学中心主任郭建东主持研讨会

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    李世亮介绍“超导体基本特性观察”实验教学

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    董明义老师总结“康普顿散射”实验教学

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    尹彦老师介绍“阿贝成像原理和傅里叶光学基础”实验

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    梁学锦老师进行模拟与数字电路实验教学总结

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    与会老师进行热烈讨论

    2018-01-18
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