近日，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的加州奈米系統研究所（CNSI）宣佈成立量子生物學研究中心，該中心將專注於基於量子生物學的跨學科研究。

CNSI 表示，該中心是美國第一所量子生物學中心，由 CNSI 研究員、加州大學洛杉磯分校電氣和計算機工程助理教授 Clarice Aiello 領導。該中心將以 UCLA 培育的量子生物學人才網路（network）為基礎，重點圍繞科學網路（scientific networking）培養學生和剛入行的科學家和工程師。

該中心獲得了美國國家科學基金會、卡弗裡基金會以及戈登和貝蒂・摩爾基金會等的支援。

（來源：UCLA）

“我們需要年輕、多元化的跨學科科學家進入該領域，也需要不同領域的科學家相互交流。我們的目標是培養的量子生物學學員能夠提出問題並探索各領域之間的聯絡。”Aiello 說。

該中心的落成，為量子生物學的發展按下了加速鍵，早前英國、德國、韓國、丹麥和日本已經設立了專注於量子生物科學研究的學術中心。

量子生物學是什麼？研究現狀如何？又將有哪些應用場景？

高度交叉的學科

量子生物學（quantum biology）概念最早出現於 20 世紀 20 年代晚期，是一個相對比較新興的領域。

這是一門研究量子力學和理論化學在生物體或者生物問題中應用的學科，能夠根據量子力學效應計算模擬生物間的相互作用。絕大多數生物過程都會涉及能量轉化，本質上都屬於量子力學範疇，比如說化學反應、光吸收、酶作用、突變、光合作用、呼吸等。

量子生物學也是一門高度交叉的學科，其在量子力學與分子生物學的基礎上發展而來，彙集了核物理學、生物化學和分子生物學等等。該學科利用量子力學計算微觀體系的全部過程，並得出微觀體系的各種參量。

在量子力學領域，分子中的原子核是骨架，外圍電子則圍繞在這一骨架附近運動。可以把電子看做是粒子，同時又具有波動的性質。因此，每個電子的運動可以用一個波函式來描述，整個微觀體系也就可以用所有電子運動的總波函式描述。（注：波函式是量子力學中描述微觀系統狀態的函式。）

（來源：discovermagazine）

量子力學計算的生物分子通常都具有一個重要特點 —— 共軛系統，也就是具有單鍵 - 雙鍵交替結構的體系，其中單鍵由 σ 電子組成，比較固定，雙鍵由 π 電子組成，這種電子活動性強，不定位在某個原子附近，可以在整個共軛系統中自由活動。

量子力學解決複雜分子體系有兩種方式，一種是價鍵法，另一種是分子軌道法。通常，人們認為每個電子的運動可以擴充套件到整個分子或者整個分子體系，因此分子軌道法也是最常用的方式。

如果要利用量子力學計算分子體系，第一步需要寫出全部自由活動電子的波函式，比如說共軛體系中所有 π 電子。整個體系的波函式可以寫成各個原子軌道的線性組合（LCAO），緊接著寫出波方程，也就是薛定諤方程，然後進行運算。

基於對生物大分子或者具有生物活性分子的計算和深入理解，量子生物學的研究內容可以歸納為四個方向：分子間相互作用力研究、生物分子電子結構與反應活性研究、生物大分子構象與功能研究以及特異性作用和機理分析研究。

多國佈局

1900 年，德國科學家物理學家 Max Karl Ernst Ludwig Planck 首次提出量子概念；與此同時，1939 年，物理學家 Jordan 提出 “突變是一種量子過程”，該觀點在 1944 年 Schrodinger 的《生命是什麼》一書中得到詳盡描述。

此後，經過科學家在量子力學以及分子生物學的不斷研究，量子生物學日益發展起來。量子生物學發展史反映出了量子力學從計算原子擴充套件到計算複雜生物大分子及其功能的可能性，將分子生物學帶入了電子時代。

1970 年，國際量子生物和藥理學會（The International Society of Quantum Biology and Pharmacology，ISQBP）正式成立，這是當代生物科學從分子水平向電子水平發展的一個重要里程碑。

在過去的十年中，量子生物學領域的研究急劇增加，從視覺、光合作用到鳥類導航的各種現象。不過，直到最近，量子生物學才真正成為一個科學可驗證的概念。

在 Google Scholar 按關鍵詞搜尋，可以搜到近 5 年共發表 98,000 項研究。整體來看，目前大部分都是理論性研究，所涉及的問題仍有待進一步驗證。

目前，許多國家已經成立量子生物學研究中心。英國薩里大學設立了勒沃霍爾姆量子生物學博士培訓中心（Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre） ，這也是全球第一個量子生物學培訓中心。該團隊曾利用計算機模擬和量子機械方法確定質子隧道這一純粹的量子現象在 DNA 內自發突變中的作用。

日本大阪大學同樣成立了量子資訊和量子生物學中心，該中心旗下由六大研究團隊組成，旨在推進多領域跨學科研究；德國奧爾登堡大學設有量子生物實驗室，由 Ilia Solov'yov 教授領導，該中心於 2013 年 10 月在南丹麥大學 (SDU) 成立，並於 2019 年遷往德國；希臘多學科研究型大學克里特大學設有量子物理和量子生物系，該中心開發了量子生物學的主要驅動力之一 —— 自由基 - 離子對反應的基本量子動力學研究。

國內披露量子生物學研究中心的資訊比較少。

國內有一家自稱研究量子生物科技的公司，中盛永基 (北京) 生物科技有限公司，由林陸山創辦，公司官網稱，該公司以量子生物技術為基礎，開發大健康生物醫藥等藥食同源產品 — 有機硒等。尚未查證到該公司或創始人在頂級期刊發表的論文。

以關鍵詞 quantum biology 在 CB Insights 資料庫進行搜尋，與量子生物學相關的資訊呈現波動上升趨勢。但是產業化進展緩慢，在 CB Insights 資料庫僅搜到一家美國初創公司 Driven Quantum Technologies。官網顯示，該公司成立於 2019 年，參與開發智慧財產權，並最終向設計量子計算相關產品的公司發放技術許可，這些產品可用於量子感測 / 計量、量子生物學、軍事 / 情報、醫療等。

（來源：CB Insights）

潛在應用方向有哪些？

無論出於基礎科研，還是出於潛在的產業落地探索，研究人員都強調了量子生物學本身具有的價值和潛力。

“隨著技術的小型化，我們在生物世界中擁有豐富的資訊，可以從中汲取靈感。這是一個探究生命是什麼的絕佳機會，同時也是吸取經驗以最優方式在微型尺度上設計生理過程的絕佳機會。” 理論物理學家和量子計算研究員 Adriana Marais 曾這樣說。

從涉及範疇來看，量子生物學可應用於化學反應、光吸收、酶催化、DNA 突變、光合作用、呼吸、感測等，未來有望利用量子力學計算和解析這些生命活動現象。

（來源：wikipedia）

量子生物學可能是太陽能電池、新型生物感測器、藥物和診斷領域開發新方法的關鍵。有業內人士認為，量子生物學可能在未來的醫學世界中發揮關鍵作用。

2020 年 8 月，深圳灣實驗室系統與物理生物學研究所量子生物學課題組在 PANS 發文深入闡釋新冠病毒棘突蛋白識別機制。該團隊透過分子動力學模擬研究蛋白質微秒尺度的動態結構變化，並發現在與 ACE2 結合介面的三個作用區域。透過自由能微擾計算進一步證實這些關鍵突變增強了蛋白結合力。

去年，還有一個研究小組提出了一項基於嗅覺量子理論設計的 “仿生鼻子”，用於檢測微量濃度的氣味劑。