课题组长期致力于将飞秒光技术应用到复杂的生物体系，主要研究领域包括：

• 飞秒生物学（DNA修复、生物钟、光受体）：在世界上首次曾阐明了光修复酶（Photolyase）对DNA损伤进行光修复步骤的分子机理，揭示了完整的七步电子转移路径（Nature, 2010, 466: 887；Science, 2016, 354: 209）、首次全面揭示了光受体（UVR8）的高效捕光机制和二聚体解离过程等（Nat Commun, 2020, 11: 4316；Chem Sci, 2020, 11: 12553； Nat Commun, 2022, 13: 93）。仲冬平教授课题组首次观察到的DNA损伤修复全过程是至今第一个全程实时解析的生物酶催化反应，是教科书的典范。

• 生物分子识别（水合化动力学、构象变化）：仲冬平教授课题组首次实时观察到蛋白质表面水合化的完整动力学，回答了蛋白质科学中长久悬而未决的水合化问题，揭示了水合化是连接蛋白质运动和水溶液环境涨落的关键桥梁，阐明了水合化作用是蛋白质稳定性和柔韧性的基础；该工作是世界上关于水合化最具权威性的研究（ Proc Natl Acad Sci, 2007, 104: 18461；Proc Natl Acad Sci, 2016, 113: 8424；Proc Natl Acad Sci, 2020, 117: 19731； J Am Chem Soc, 2020, 142: 3997）。在构象变方面，首创了利用蛋白中超快能量转移作为分子尺度研究蛋白构象动力学（J Phys Chem A, 2012, 116: 2610；Sci Adv, 2021, 7: eabg3815）。

• 超快蛋白/酶动力学（血红蛋白、黄素蛋白）：在国际上系统地开展了蛋白超快短程电子转移动力学研究，并发展了新的理论模型；首次观察到电子转移与环境的超快耦合，表现出强烈的非平衡态动力学特征。以黄素蛋白为例，系统解释了多数蛋白中的长链电子传输是由多个短程电子转移过程组成，成功解析了蛋白质的电子转移分子性质（如蛋白重组能、蛋白电势涨落及蛋白的弹性性质）（Proc Natl Acad Sci, 2013, 110: 12972；Proc Natl Acad Sci, 2013, 110: 12966；Nat Commun, 2015, 6: 7302；Nat Commun, 2020, 11: 2822）

• 四维电镜（结构、动力学和功能）：在前人的基础上（Proc Natl Acad Sci, 2008, 105: 8519；Proc Natl Acad Sci, 2010, 107: 9933），首次建立了液槽环境下的四维动态电子显微镜，用于研究生理条件下的生物大分子结构动力学变化，及其与生物功能的对应关系。在当今AlphaFold和冷冻电镜的革命性发展下，生物静态结构已被大量解析，与生物功能相关的动态过程难以获得。课题组率先建立液槽环境四维动态电镜，在生理条件下研究生物大分子的结构动力学与功能关联。四维液态电镜的发展和生物应用将在未来对生命科学产生革命性的影响，