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研究總觀

生物體是一個由多種生物分子構成的複雜系統 。這個系統與環境互動時,由系統本身的基因藍圖統籌規劃生物分子間不斷進行的物理及化學過程 ,展現生物體在各種層次的生物功能。例如:基因的複製,修補;蛋白質酵素的合成,分解,功能執行;細胞的成長,分裂,死亡,聚集;細胞間的溝通,合作等等。

本世紀 ( 二十一世紀 ) 初,基因已能定序,基因藍圖可得,正式開啟 “後基因時代” ,各國莫不投入大量人力物力來探討生物基因藍圖規劃的物理及化學過程,以掌握生物活動的各項關鍵因素,希望在生物科技,生物醫學,醫藥研發的領域,取得領導地位。

物理學在上世紀 ( 二十世紀 ) 以牛頓及量子力學,電磁學為基礎,發展出統計物理,用以探討多原子或多分子構成的簡單系統,獲得相當成果。其中影響最大的例子莫過於探討固體半導體材料,其研發出的積體電路創造了人類數位科技的文明。物理學也在上世紀末發展出非線性動力學,探討多原子或多分子構成的複雜系統之特性,諸如混屯,碎形等,亦獲得相當成果。我們相信,值此後基因時代,使用物理學來探討生物體這個複雜系統,其成果應可期待,是物理學繼續發展的契機,也勢必成為物理研究的主流之一。因此成立生物物理研究所,實屬必要。

要了解生物世界,必須研究生物再不同尺度的各個層次,諸如生物分子,胞器,細胞,組織,器官,生物體,生物群落等,所呈現的功能及活動,而其中所涉及的物理過程揭示生物物理值得研究的範疇。就以目前人類所累積的知識,斟酌本校現有的人力,本所規劃四個重點如下:
(Ⅰ ) 生物分子及生物材料的物理性質—生物體最重要的兩種生物分子, DNA 和蛋白質,以及生物體最重要的一種生物材料,生物膜,其各項物理性質,包括 : 活性結構的摺疊自組過程,機械黏彈性,結構相變,動態力學,光電特性,蛋白質與蛋白質的相互作用, DNA 與蛋白質的相互作用,生物膜與蛋白質的相互作用。

(Ⅱ ) 基因序列編碼所含的生物資訊—由於人類基因工程與其他相關衛星基因計畫近年來的快速成長,使得生命科學的研究完全改觀。網路上各種資料庫中與日俱增的資訊可以讓、也需要物理、數學、統計、電腦學者直接參與生命科學的研究。中央大學物理系研人員及學生具備數理知識和分析能力亦掌握主要電腦和資訊研究工具,實為探討隱藏基因密碼內生命自然原理之良機。

(Ⅲ ) 生物系統的集體行為—探討自 DNA 尺度以上各級生物系統的自組合( self-assembling) 、自組圖樣( self-organized patterning) 、 非平衡相變等非線性集體結構與複雜動力行為。細胞群之集體合作,進行各種訊息的傳遞,編譯,儲存,累積,學習之機制,例如,以光鑷及螢光影像技術實驗詳細探討神經元細胞網路之成長、衰萎及自我修復之過程,並加上動力學理論之分析,找尋其背後之原理。細菌、鳥群、魚群等單細胞或多細胞生物體之集體行為和運動,以實驗及理論模型來探討其集體成長、聯絡、運輸的機制。

(Ⅳ ) 生物技術,奈米科技,醫學應用三者的整合研究—發展奈米尺度生物單分子觀測與操控技術以利(Ⅰ ) 與(Ⅲ ) 項研究的發展 ; 研究分子動力機的運動,研究血液及淋巴液等生物流體在人工材料系統的流變特性,研究生物材料在人工微流體系統中的影響,研究生物材料與微奈米尺度光機電系統的整合,以發展各型元件與生醫檢測技術。


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 中央大學生物物理所 Graduate Institute of Biophysics, National Central University
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