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在生物世界中结构与功能通常是紧密相关的，在很大程度上功能决定了形式和结构。在宏观尺度上，比如飞行的生物都演化出了翅膀，需要快速运动的海洋生物都有着流线型的身体，五颜六色的花朵为的是吸引蝴蝶和蜜蜂来帮助它们繁衍。在微观尺度上，结构生物学在过去几十年来揭示了大量的蛋白质结构与功能的关系。发现并理解这种联系有助于我们了解生命现象的奥秘。本博士论文以动力学作为纽带，致力于在分子水平上发现和理解结构与功能的关系。论文研究集中在生物系统的两个尺度上并以两个具体的生物体系为实例。在蛋白尺度上的研究以胰蛋白酶一胰糜蛋白酶体系为对象；在基因调控网络尺度上以果蝇体节极性网络系统为对象。
胰蛋白酶和胰糜蛋白酶的结构及反应机理类似，但底物专一性不同。其结构和化学性质对催化反应的专一性有很大影响。我们利用高斯网络模型研究了这两种酶及其突变体的动力学性质，发现酶结构的局部变化可以影响酶底物结合位点残基的运动相关性，而这些残基与酶反应的专一性有紧密的联系。研究工作表明蛋白结构上的远程关联能够对蛋白功能产生影响，为蛋白性质的研究拓宽了思路，同时该研究结果是对丝氨酸蛋白酶专一性机理的有益补充。
果蝇体节极性网络是果蝇发育网络中的一个重要而保守的模块。该基因调控网络的功能是为果蝇的体节确立稳定的边界。我们通过抽象生物网络的功能并遍历所有可能的三节点网络，找出了所有能够完成体节极性网络功能的网络结构，而生物学网络的简化模型就在其中。由于所采用的模型仅仅假设了简单的调控关系，此结果表明该模型有一定的预测能力。我们进一步分析了这些享有此同一生物功能的网络的共性，发现功能与结构之间有很强的关联。果蝇的体节极性网络包含三个基本功能，每个功能对应着一组结构单元，而所有的网络都是这三组结构单元的组合。这种组合保证了网络包含必需的功能，同时又保证了网络拓扑结构的多样性。这一发现在网络进化和适应的过程中可能意义重大，因为生物可以在不同的环境和进化历程中选择适合的网络结构。本研究中仅用三节点的网络就能够重构包含几十个基因的果蝇体节极性网络的功能，这说明生物体系虽然有复杂的表象，但还是基于简单的原则，该研究为我们理解复杂的生物现象提供了很好的切入点。本研究中所发展的方法也可以应用到其他的生物体系研究中。本论文的两项研究工作说明在分子和基因调控网络的尺度上结构与功能是密切相关的，但这些关联必须通过动力学的“透镜”才能显现出来。在我们的研究中发现的生物系统的组织原则将有助于我们更深刻地理解生物问题。