2023年9月21日，美国化学会主办的The Journal of Physical Chemistry B推出特别纪念专题，以致敬华人科学家谢晓亮在60周岁之际取得的学术成就。

谢晓亮是国际著名的生物物理化学家。他1984年本科毕业于北京大学化学系，1990年在美国加州大学圣地亚哥分校获博士学位。他是改革开放后中国大陆赴美学者中受聘哈佛大学终身教授的第一人（1999年），2018年7月全职回国工作，现为北京大学李兆基讲席教授、北京大学理学部主任、北京昌平实验室主任。

The Journal of Physical Chemistry出版纪念刊，致敬谢晓亮教授，一位有广泛影响力且备受学术界推崇的生物物理化学家。

谢教授在他卓越的职业生涯中，为众多技术创新和科学发现做出了巨大贡献。他在物理化学领域的工作涵盖了四个主要领域：单分子光谱学、单分子酶学、单分子生物学和相干拉曼光谱学。谢教授是最早在室温下展示单分子光学检测的科学家之一。他在将单分子光谱学应用于研究蛋白质和酶动力学方面的开创性工作，催生了单分子酶学和随后的单分子生物学。此外，他在相干拉曼显微镜和单细胞基因组学方面的开创性发展为科学家们提供了宝贵的工具，使我们得以直接观察化学和生物过程，而无需标记，同时也解答了有关生命过程的基本问题。

在他的学术生涯中，他指导了一百多名博士生和博士后研究员，其中许多人已经成为学术界和生物技术行业的支柱人物。谢教授的科研贡献得到了众多奖项的认可，美国化学会颁发的物理化学家最高奖Peter Debye奖，以及医学与生物医学研究领域最大的奖项之一Albany奖。在下面的回顾中，我们将简要介绍他科学之旅的关键阶段。

单分子光谱学

单分子光谱学和显微术已经成为现代技术的基石。通过一次检测一个单独的分子，从而去除了系综平均，科学家可以直接观察样品中的异质性，这为复杂系统提供了重要见解。在时间域中，单分子研究还提供了有关这些复杂动态过程的动力学、路径和中间产物的宝贵信息。总体而言，观察和跟踪单个分子的能力为化学和生物科学提供了广泛使用的工具。

尽管现在几乎任何配备适当仪器的实验室都可以进行单分子实验，但在1990年代初，室温下用光学手段检测单分子被认为是不可能的。谢教授是一群早期致力于实现这一关键突破的科学家之一。当时检测单分子的努力，无论是通过W.E.Moerner的直接吸收法还是通过Michel Orrit的荧光发射法，都是在接近绝对零度的极低温下进行的，以利用在这些条件下极窄的吸收光谱。这期间，一个重要的里程碑是Eric Betzig、谢晓亮、Richard Keller以及其他同事分别独立地使用近场光学显微术在室温下展示了单分子成像。在这些研究中，激发光源是通过一个距离样品远小于波长的锐利光纤尖端传输的。由此，激光只会激发最近于光纤尖端的极小范围，从而避免了背景发光。这种近场光学显微术实现了单分子发射的检测，成功地在室温，而不是极低温下进行单分子光谱实验，为物理化学和生物学提供了新的机会。这最终为更为简单便利的技术铺平了道路——随后全球的研究人员意识到也可以使用共聚焦显微镜或全内反射显微镜等光学远场技术来检测单分子。这些技术很快就得到了进一步发展，产生了包括超分辨显微镜在内的生物物理学和生命科学领域的广泛应用。

单分子酶学

谢晓亮教授很快意识到单分子光谱学在研究复杂生物问题方面的巨大潜力。他选择了一个在当时极其前沿的科学问题，研究了类黄酮酶的催化动力学。选择使用的胆固醇氧化酶中的活性位点含有类黄酮腺嘌呤二核苷酸（FAD），在催化过程中可在荧光和非荧光两种形式之间可逆切换。这个特性使胆固醇氧化酶成为研究单分子水平上酶动力学的理想选择。著名的Michaelis-Menten（米氏方程）机理，生物化学的指导定律，首次在单分子水平上实现了可视化。此外，在酶动力学方面还有一个令人惊讶的发现。单个酶分子的催化速率常数并不是恒定的，而是随时间波动，并具有强烈的记忆效应；这一现象后来被证明几乎适用于所有的酶。在那之后，许多研究小组开始应用单分子光谱学来研究酶作用的具体机制，这开辟了一个新领域。谢教授在1998年的这一创新性工作被广泛认为是单分子酶学领域的开山之作。

为了进一步研究单分子酶催化反应中速率常数波动的起源，谢教授利用了类黄酮还原酶活性位点处的类黄酮与周围酪氨酸之间的电子转移作为高度敏感的分子标尺，以探测单个蛋白质构象的动态变化。这种新颖的技术揭示了蛋白质在平衡状态下的构象动态变化在从毫秒到分钟的广泛的时间尺度上发生，而这个时间尺度正好与酶催化速率范围重叠。这种蛋白质构象动力学具有长时间相关性，类似于他1998年实验中观察到的催化速率的记忆效应。因此，谢教授提出了构象动力学控制着酶催化反应速率常数的波动这一基本观点。

虽然构象动态变化引起了速率常数的波动，谢教授后来又证明了米氏方程在单分子水平上仍然成立。尽管速率常数随着时间发生涨落，但长时间的平均行为仍然遵循基本的热力学原理。这一发现是通过在不同底物浓度下监测单个酶的周转数来证实的。由此得出的单分子米氏方程将统计力学与酶动力学联系起来。基于这一洞见，谢教授提出了“涨落酶”的重要概念。许多研究人员跟进这一概念，以进一步理解蛋白质构象、酶催化和动力学之间的联系，这仍是一个活跃的领域。

单分子生物学

在单分子酶学工作的基础上，谢教授还将单分子技术扩展到活细胞中，在第一个单分子荧光实验后的仅仅十年内，便实现了从体外到体内的跃进，极大地拓宽了单分子技术在复杂生物系统中的应用。如今，单分子技术和单分子视角已经被主流生物学家所接受。

中心法则是分子生物学中最深刻的原理，解释了遗传信息从DNA到蛋白质在转录和翻译中的流动。这个过程实际上是一个单分子问题，因为每个细胞只有一个（或两个）特定基因的DNA拷贝。经过五年多的努力，他的团队首次成功地在单细胞内实时观察到了单个蛋白质翻译事件。通过两个不同的实验，谢教授发现蛋白质翻译是以“爆发”形式发生的，每次爆发源自随机转录的单个mRNA分子。重要的是，在一群细胞中的稳态拷贝数分布与翻译爆发事件的规模和频率相关，这将单分子事件与系综测量联系起来。这些开创性研究实现了中心法则的定量方式描述。

谢教授还发现，随机的单分子事件（这里指的是转录因子从DNA上解离）可以触发细菌细胞的表型切换。后来，他开始研究中心法则的另一部分：转录，即遗传信息从DNA到RNA的传递。谢教授发现单个细菌中的转录事件也同翻译过程一样是以爆发形式发生的。这项研究提出了一个新的分子机制：转录爆发是由于被转录基因对应的DNA中超螺旋的积累。这些科学发现是对分子生物学极其深刻的贡献。

相干拉曼显微镜

与他在单分子技术方面的开创性技术创新相得益彰，谢教授同时开发出其他独特的技术来研究分子的振动特性。在1999年，他描述了一种基于相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）的新型显微镜技术。有趣的是，这一创新部分是由于实验室中偶然的发现：当两束脉冲激光束被紧密聚焦到玻璃片上时，由于非线性光学过程产生了白光。对于CARS，两束同步的近红外光束被聚焦到样品上，可以激发分子的集体振动模式。激光与这些集体振动模式的相互作用产生了在新的波长处的强相干辐射。与广泛使用的自发拉曼显微镜相比，CARS的相干性本质可以将拉曼成像速度提高几个数量级，并实现生物样品的高速振动光谱成像。自从CARS显微镜成功开发，谢教授花费了大量时间和精力组织了一系列的会议和研讨会，以推动该技术的进展并促进其在用户中的广泛传播。

然而，CARS的一个主要缺点是样品的电子响应引起的非共振背景，这限制了光谱的解读和检测灵敏度。为了克服这一缺点，谢教授的团队在2008年开发出新的无标记成像技术——受激拉曼散射（SRS）显微镜。通过检测激光场与分子之间的能量交换，SRS不受非共振背景的影响，保留了拉曼光谱，并呈现出稳定的线性浓度依赖。在后续研究中，高速SRS成像在一名志愿者身上得以演示。通过合作，谢教授将无标记的SRS显微镜推广到手术室中，准确指导脑外科医生进行肿瘤切除手术。SRS领域最近出现了广泛且强劲的创新，涵盖了仪器、化学探针和数据科学等多个方面。

超越物理化学

在单分子酶学工作的基础上，谢教授还将单分子技术扩展到活细胞中，在第一个单分子荧光实验后的仅仅十年内，便实现了从体外到体内的跃进，极大地拓宽了单分子技术在复杂生物系统中的应用。如今，单分子技术和单分子视角已经被主流生物学家所接受。

在基因组学革命和下一代测序技术的兴起时，谢教授还开发了单细胞基因组学的新方法，为现代生物学带来深刻的技术进步。总体而言，谢教授通过应用化学原理来更精确地理解生物问题。他的单细胞测序技术有助于在体外受精过程中筛查遗传疾病。到目前为止，这种医学应用已经惠及了超过4000个家庭。谢教授在单细胞基因组学方面的技术发展也在理解生命过程的基础上产生了具有重要意义的工作，例如产生了单个人类细胞的第一份三维基因组结构和相关基因模块的图谱。由于他对改善人类福祉所作的杰出贡献，他被授予了美国医学和生物医学研究领域最负盛名的奖项之一，Albany奖。据我们所知，谢教授是第一个获得这一荣誉的物理化学家，这也反映了他的跨学科研究的深刻影响力。

在新冠病毒大流行期间，谢教授也利用技术优势，迅速响应了这一公共卫生危机，应用高通量单细胞测序技术识别高效中和抗体。他的团队最近开发了一种针对所有已知SARS-CoV-2变种的广谱抗体药物，在临床试验和紧急用药中挽救了许多生命。

总结

谢晓亮教授是我们这个时代最有影响力的生物物理化学家之一。他的工作具有独特的风格和特点。在技术上，谢教授一直在不断发明新的测量方法，推动技术进入新领域。从科学角度来看，谢教授的视角深切贴近物理化学，始终在探讨分子行为的基本问题。他在酶涨落动力学、单分子和单细胞生物学方面的工作引发了生物物理化学（包括理论化学）领域的极大兴趣。自从谢教授的开创性贡献以来，许多物理化学界的领军人物在相关领域进行研究。在这个意义上，谢教授是一个在生物物理化学和相关领域产生深远影响的罕见范例。我们很荣幸为他在物理化学领域的巨大贡献呈现这本纪念刊。谨代表他的所有学生、博士后研究员和合作者，我们祝愿谢晓亮教授生活幸福、健康长寿，学术创造力和产出都更上一层楼。

注: 作者感谢赵之仑博士对本文中的材料收集及整理。

作者简介：

闵玮，美国哥伦比亚大学教授；

Shaul Mukamel ，美国加州大学欧文分校教授；

高毅勤，北京大学教授。

本文转载自《赛先生》，原文首发于2023年9月21日的Journal of Physical Chemistry B杂志，《赛先生》获作者授权发表其中文译文。