北京大学定量生物学中心

学术报告 

题    目: 复杂性的度量及演化机制

报告人: 刘宇博士，Research Associate，英国Glasgow大学化学学院

时    间: 3月29日（周一）16:00-17:00

地    点: 线上 (Zoom会议)

会议 ID：694 2774 5162

密码：cqbcqb

主持人: 齐志 研究员

摘 要:

从70年前的Miller-Urey实验开始，我们就知道简单的分子、无机物能通过不太复杂的外部坏境生成一些简单的包括氨基酸在内的有机物。但更为复杂的分子甚至生命本身这样复杂的系统是如何从简单的分子、系统中涌现出来的，这些问题仍在持续的研究之中。有个著名的比喻：生命的出现就像是一阵龙卷风吹过回收站之后，那些回收的零部件自动组装成了一架波音飞机（这个概率其实就是不可能，但为什么生命还是发生了）。事实上，该比喻落入了直觉上的陷阱：组装飞机并不是从最小的螺丝钉开始的，而是从模块、大部件开始；生命也不是从原子一个个拼装起来的，而是从简单的有机物、生物大分子等开始。所以组装、生成它们的复杂程度可能并不像原本想象中的、从螺丝钉和原子开始那么难。

我们据此提出了一套新的数学理论来描述这种复杂性；并将之应用于化学分子，然后发展了“分子树”的概念和算法，它能找出分子间结构的内秉关系，并组织成具有层次关系的树状图（除开理论方面，其也能广泛地应用于诸如设计新药、基因压缩合成等方面）[1]。进一步的研究还发现，我们直觉上所说的“复杂”其实混淆了两个不同的（正交的）方面：有序度和困难度。比如随机序列有序度低、困难度高（很难生成/复现），而晶体的有序度高、困难度低（较易生成/复现），然而这两种情况可能都会被称为“复杂的”。最后，进一步模拟的初步结果显示，满足这种复杂性描述的系统会自然而然地从简单到复杂演化。

报告人简介：

  刘宇，现英国Glasgow大学化学学院Prof. Leroy Cronin (Regius Chair of Chemistry)组任Research Associate。物理、数学（瑞典Uppsala大学应用数学与统计博士）出身，作为Full lecturer在Uppsala大学讲授硕士研究生课程Modelling Complex Systems，先后在荷兰Groningen大学化学生物系、瑞典Mittag-Leffler数学研究所任研究职位。从事生物、化学、数学交叉领域的研究工作，主要围绕两个主题：自我复制（生命的基本特征之一）系统是如何从无到有的？生命的复杂性是如何从简单中涌现出来的？

主要学术成果：

1. 提出了自我复制系统的判据，及在实验上甄别自我复制系统的方法；为实验室通过top-down设计、或利用迭代方式选择自复制系统（甚至人工细胞）提供了一条新思路。该课题上目前共发表4篇一作且通讯的文章（e.g., [3], 包括single-author^[2]），多次受邀在国际会议上做演讲报告（包括在Max Planck研究所“Breathing Life into Chemistry”国际会议作为keynote speaker）。

2. 在国际上首次提出了对分子复杂性的定量描述，并据此发展了“分子树”的理论方法和算法，其能将分子间所有的重复结构和亚结构识别出来，并组织成具有层次关系的树状图来描述分子间结构的内秉关系（论文正在PNAS审稿中^[1]）。

[1] Y Liu, C Mathis, S Marshall, L Cronin*, Mapping the molecular tree of life using assembly spaces, In review in PNAS, 2021.

[2] Y Liu*, On the definition of self-sustaining chemical reaction system and its role in heredity, Biology Direct, 15(15), 2020.

[3] Y Liu*, D Sumpter, Mathematical modeling reveals spontaneous emergence of self-replication in chemical reaction systems, Journal of Biological Chemistry, 293(49), 2018.