CCIN (Cambridge China Innovation Network)是一个由剑桥大学学者创办的公益性组织，致力于成为 “科研-创新-业界”的桥梁，分享最新的科创突破进展；促进跨领域的交流和合作；助力科技创业；加强牛剑科创圈与国内业界和商界的连接；洞察前沿科技。

Q：请您简要介绍自己研究的领域？

A：现在我在物理系的生物物理与软物质组（Biological and Soft Systems, Cavendish Laboratory），主要从事生物物理的研究。这是一个交叉的学科，涉及到物理、生物、工程等学科的知识和技术。我最近的研究工作主要涉及到纳米孔和DNA纳米技术。

纳米尺度的通道在生物体中非常常见，很多生命活动依赖于核酸等其他生物分子在纳米尺度通道中输运。我们也可以通过纳米加工的手段获得人工的固态纳米孔。这样的具有纳米尺度的生物分子通道或者人工加工的孔通常被称作纳米孔。研究分子在纳米孔道内的输运可以帮助我们更好的理解其中的物理过程，并利用这个技术开发一些应用。其中最有意义的应用之一是基于纳米孔的DNA测序，这个应用已经被成功的商业化，最著名的公司是牛津纳米孔技术公司（Oxford Nanopore Technologies）。除了测序以外，纳米孔还可以被用于检测很多不同的生物分子，这也是我现在做的一些工作。例如，我们可以应用纳米孔检测特定的DNA、RNA和蛋白分子来用于疾病诊断和病毒检测。

同时，我的另一个研究方向是DNA纳米技术，并且希望将DNA纳米技术和纳米孔结合起来做一些机理研究和有意义的应用。简单的说，DNA纳米技术是利用DNA来实现一些技术应用。在我们的印象中，DNA更多的是作为遗传物质被研究。但它同时也是一种可以用来构建三维纳米的材料。就像搭积木一样， DNA可以被用以自下而上的方式来构建结构。其次，DNA还可以被用来作为数据存储的介质。作为存储材料，它具有的优势有储存密度高、寿命长、节能等优点。数据在DNA中的存储密度大概是硬盘的存储密度的10^6倍，超越现有的任何人工数据存储方式。甚至我们可以将人类所有的数据存在体积不大于一个卡车的DNA中。而且，DNA比较稳定，可以安全的被保存数百年或数千年，这样我们就不用不断的将数据复制（现有的数据存储的寿命大概在几年到几十年），节省了大量的能量和成本。

Q：请您介绍近期关于纳米孔输运机理的成果？

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01268-2

A：最近的一个工作（Nature Physics, 2021）是研究DNA在纳米孔中输运的动态过程。为了追踪DNA分子的运动，我们利用构建DNA折纸 (DNA origami，类似于乐高积木的技术) 的方法，构建了带有位置标记的DNA分子，进而测得DNA在纳米孔中的运动速度和分析DNA通过纳米孔时的受力状态。实验结果揭示了DNA在纳米孔中的输运过程可以分为两个阶段，其中在第一个阶段 DNA 速度减慢，然后在接近传输的末段时DNA加速。粗粒度模拟验证了这个两阶段过程。此研究揭示了该过程中基本物理过程是由 DNA的不断变化的受力状态决定的。

Kaikai Chen, Ining Jou, Niklas Ermann, Murugappan Muthukumar, Ulrich F. Keyser, and Nicholas AW Bell. “Dynamics of driven polymer transport through a nanopore.” Nature Physics (2021).

这种组装类似乐高积木的方法构建的DNA分子就像一个纳米尺度的尺子，非常精确的测量了聚合物穿过只有几纳米大小的小孔的过程，为理解这一过程提供了新的认识。实验和模拟的结合揭示了这一过程中分子受力和输运的基本物理过程，并将有助于提升基于纳米孔的生物传感器的检测精度。这些结果将有助于提高纳米孔传感器在 DNA测序、目标 DNA 和 RNA 检测以及 DNA 数据存储应用中的准确性。

Q：可以请您再介绍关于纳米孔应用相关的研究？

A：基于我们对纳米孔中输运的基本物理规律的研究，我们还开发了一些基于纳米孔的应用。比如检测DNA上特定序列、RNA检测和基于DNA纳米技术和纳米孔的数据存储。

如果我们能够检测到一个DNA特定序列的分布，那么就可以不用测序从而快速鉴定此DNA，可以被用于和DNA相关的疾病检测。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c07947

Kaikai Chen, Felix Gularek, Boyao Liu, Elmar Weinhold, and Ulrich F. Keyser. “Electrical DNA Sequence Mapping Using Oligodeoxynucleotide Labels and Nanopores.” ACS Nano 15, 2679-2685 （2021）.

另一个应用是基于DNA纳米技术和纳米孔的数据存储。DNA存储是未来前沿领域之一，但是DNA存储的成本还比较高，还没有得到应用，其中一个问题是需要大量地合成新的序列来存储数据。我们提出了一个利用DNA纳米结构存储数据或者作为条形码的方法，这种方法的潜在优势是可以利用已有的排列组合实现数据的存储，从而不需要不断的合成新的序列。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b04715

Kaikai Chen, Jinglin Kong, Jinbo Zhu, Niklas Ermann, Paul Predki, and Ulrich F. Keyser. “Digital data storage using DNA nanostructures and solid-state nanopores.” Nano Letters 19, 1210-1215 (2018).

在新的工作里，我们改进之前利用DNA纳米结构作为数据存储的工作，展示了一种基于纳米孔和DNA纳米技术的DNA储存和运算模型（DNA硬盘）。借鉴构建DNA折纸的方法，采用一条长的DNA单链与互补链结合的方式，并通过设计不同的互补链来构建不同的位点。通过DNA杂交与替换的方式控制添加结构（写入）和移除结构（删除），从而实现了数据在DNA结构上的可擦写，方便、快速、准确地读取在DNA结构上的数据。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00755

Kaikai Chen, Jinbo Zhu, Filip Boskovic, and Ulrich F. Keyser. “Nanopore-based DNA hard drives for rewritable and secure data storage.” Nano letters 20, 3754-3760 (2020).

作为简单利用DNA进行数据存储的一种替代方式，这个工作提出并展示一种可以实现简单利用混合不同DNA链进行数据写入的DNA硬盘模型，且该模型可以被应用于DNA计算。未来，DNA有可能在数据存储和计算方面具有应用。基于DNA的数据存储因其更适合存储档案数据的特点极有可能成为一种新的数据存储方式。DNA计算在很多方面也具有优势。

在朱进波博士最新的工作里，他改进了方法实现了多进制的存储，并实现了图片的存储。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202100711

Jinbo Zhu, Niklas Ermann, Kaikai Chen, and Ulrich F. Keyser. “Image Encoding Using Multi‐Level DNA Barcodes with Nanopore Readout.” Small (2021): 2100711.

Q：这个领域/方向近些年的发展情况？这个领域还有哪些待解决的问题是你认为比较重要的？ 

A：关于纳米孔测序技术的应用。经过二、三十年发展，这一技术已经逐渐成熟。现在最重要的应用应该就是DNA测序，对科技、对市场都有很重要的贡献。另外就是基于纳米孔的特定分子的检测，如果纳米孔能够快速检测到与疾病相关的生物分子，将会对疾病诊断（如癌症检测）具有重要的意义，这是将来发展的方向之一。

关于DNA纳米技术的应用。第一，作为一种材料，可以探索DNA结构的更多的功能。DNA可以像搭积木一样，构建不同的结构，可以结合有机、无机材料，也可以做非常精确的控制。第二，存储。DNA不一定是下一代存储媒介，但一定是非常重要的一种互补。DNA存储目前主要是成本问题，但新的技术和公司也在在逐渐降低DNA的合成和存储成本，做的比较好的公司有Twist Bioscience, Nuclera和Catalog等。

Q：这些发表的工作的灵感是怎么来的？

A：这些工作有些工作是在前课题组成员的工作的基础上发展而来的，我从他们那学到了很多，比如现在已经离开课题组的Nicholas A.W. Bell博士和孔靖琳博士。还有就是得益于我们组的多学科交叉的背景，我们组里物理背景、化学背景、工程背景和生物背景的人都有，所以能够互相学到很多东西，能够碰撞出不同的想法，有什么需要了解的也很快能找到合适的人讨论。还有一些是通过看文献以及结合现有实验室的条件，来解决和改善相关的问题。另外就是我们花了很多时间在实验上，收集到一些关键而且很好的数据。

Q：了解到您也准备将纳米孔的研究成果转化、落地，可以和我们分享么？

A：我们现在成立了Cambridge Nucleomics公司，希望将纳米孔检测应用于疾病的诊断，如早期癌症检测。公司主要成员有我现在博后的合作导师Ulrich F. Keyser教授、目前在剑桥商学院MBA课程的Max Zhu博士（担任CEO，剑桥大学化学系博士）、和我们组的博士研究生Mohammed Alawami。我主要负责技术这一方面。我们的项目已经获得了多个创业比赛的奖项并充分利用了剑桥的技术商业化的资源，得到了Cambridge Enterprise 在专利申请及授权方面的支持，我们还参加了剑桥商学院Enterprise Tech项目以及Accelerate Cambridge项目，他们对明确市场以及提供下一步的融资提供了很大的帮助。

Q：科研路上有什么心得和大家分享么？

A：我喜欢做科研的原因之一是工作比较自由，可以做自己喜欢的事情，时间安排也可以比较灵活。有新的研究进展或者文章接收，会有非常开心的感觉。有时候科研也会遇到不顺利，但是可以学习请教身边更优秀的人。和优秀的同行共事会让人学到很多东西，如博士的导师和现在合作导师，一直是我的榜样。要做出好的研究，一定要多了解不同的东西，不要局限在很小的范围内（可能这也是我现在做的不足的地方之一）。多去了解哪些问题更有意义，哪些东西更能产生更大的社会效益 。

Q: 我们CCIN 的其中一个宗旨就是为了促进交流，让跨学科学者有更多合作的机会。请问您有哪些合作想法？

A：如果对生物物理、纳米孔和DNA纳米技术感兴趣，以及有能够将其他研究与这些研究相结合的想法，欢迎交流讨论。

邮箱：kc494@cam.ac.uk