分子模擬的普及和應用

如今化學家在計算機上所進行的實驗幾乎與在實驗室裏做的一樣多。從計算機上獲得的理論結果被現實中的實驗證實,並產生了新的線索,引導人們去探索原子世界工作的原理。由此再次證明理論和實踐間互為依存、相互促進的關係。

當一種方法和技術被廣泛應用並能取得促進科技發展和社會進步的實際效果時,才能體現它的價值。2013年諾貝爾化學獎授予三位美國科學家——馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾教授,以表彰他們發展的分子模擬方法對生命科學和藥物研發等領域發展的貢獻。這是近15年來,諾貝爾化學獎第二次授予計算化學學科。

從上世紀60年代開始,隨著理論化學和計算機科學的發展,理論工作者企圖發展理論計算方法,編製計算機程序來模擬化合物的結構性質,預測化學反應規律,與實驗研究互補,以提高實驗研究的效率,也想用計算和模擬預測目前無法用實驗方法測定的現象(如極端高溫、高壓下物質的性質)。這方麵的研究促使出現了計算化學這一新的學科。

  計算化學基本上可以分為兩類,一類是在量子力學原理的基礎上,發展新的計算方法,稱為量子化學。第二類是在牛頓(經典)力學基礎上,發展新的計算方法,稱為分子力學。今年三位諾獎得主是第二類計算化學的代表性人物。

  馬丁·卡普拉斯原本從事第一類計算化學方法研究,主要從事分子中原子核自旋耦合和電子自旋光譜的理論和計算研究,發展了在核磁共振光譜測定中應用很廣的Karplus方程。上世紀60年代末70年代初,卡普拉斯把主要精力放到第二類計算化學方法發展和應用研究上,主要貢獻是將理論物理中的多體模擬方法應用於蛋白質等生物大分子結構和性能的研究,發展了適合於生物大分子模擬的分子動力學方法,編製了著名的軟件CHARMM。上世紀80年代,卡普拉斯等首次實現了蛋白質分子動力學模擬,由於這一工作,使人們認識到“蛋白質等生物大分子的結構不是靜止不動的,而是在不斷變化的”。這一觀念上的改變,促使人們從新的角度認識生命現象,深刻地促進了生命科學的發展。

  以色列魏茲曼研究所的施耐爾·利夫森教授是第二類計算化學方法的奠基人之一。1968年,瓦謝爾跟隨利夫森做博士論文,發展了用於分子力學計算的分子力場CFF。這一年,在劍橋大學分子生物學實驗室攻讀生物物理博士學位的邁克爾·萊維特被派到利夫森實驗室進行訪問研究。萊維特與瓦謝爾和利夫森合作,進一步完善了CFF力場,並且編製了計算蛋白質構象的程序。通過這一合作,萊維特和瓦謝爾也建立了良好的合作關係和私人友誼。1972年,瓦謝爾曾到哈佛大學跟隨卡普拉斯做博士後研究,進一步完善了分子力場方法,同時與卡普拉斯一起發展了計算共軛分子基態和激發態勢能麵的方法,增添了他在量子化學研究方麵的技能。1976年,瓦謝爾回到魏茲曼研究所工作,這一年萊維特再次訪問魏茲曼研究所。瓦謝爾和萊維特又一次合作,發展了量子力學和分子力學相結合的理論計算方法,解決了分子力學不能模擬酶催化等生物化學反應,而量子力學方法不能計算蛋白質等生物大分子的缺陷,將第一類和第二類計算化學方法完美地結合在一起。這是完全創新的、徹底改變研究思路的計算方法,極大地拓展和加深了人們對生物化學反應的認識。

  卡普拉斯、瓦謝爾和萊維特發展的方法的另一重要貢獻是促進新藥發現。自上世紀80年代起,分子力學、分子動力學以及量子力學和分子動力學相結合的方法被廣泛應用於研究藥物研發。在這些方法的基礎上發展了一係列基於蛋白質和核酸等生物大分子三維結構的計算機輔助藥物設計方法(例如分子對接方法),大大提高了新藥發現的效率。用傳統方法研發一個新藥需要花費10億美元以上的科研經費,耗時10年以上的時間。計算機輔助藥物設計方法的應用,可以節約研發成本約1.3億美元,縮短研發周期1年左右。因此,計算機輔助藥物設計方法已經成為新藥研發的核心技術之一,例如在著名抗禽流感藥物達菲的研究過程中,計算機輔助藥物設計方法發揮了重要作用。

  卡普拉斯、瓦謝爾和萊維特的工作也促進了我國生命科學和藥物研發領域的發展。自上世紀80年代中期開始,我國開始從事分子模擬和基於結構的藥物設計研究。中國科技大學施蘊渝院士等首先將分子動力學方法引入國內,應用於生物大分子結構與功能關係的研究;中國科學院上海藥物研究所陳凱先院士等率先在我國從事基於生物大分子結構的藥物設計研究。目前,分子模擬方法在我國已經十分普及,成為許多從事分子和細胞生物學研究實驗室的重要研究工具。在科技部“863計劃”、“973計劃”以及自然科學基金委等其他部委資助項目的持續支持下,我國計算機輔助藥物設計的研究總體水平目前已達到國際先進水平,在部分方向上有所突破,達到了國際領先水平。一些計算機輔助藥物設計方法參與研發的藥物已經進入臨床試驗,例如中科院上海藥物所沈敬山課題組和蔣華良課題組合作研發的抗男性勃起障礙和肺動脈高壓1.1類新藥TPN729及其片劑已獲得國家食品藥品監督管理局簽發的藥物臨床試驗批件,獲準進入Ⅰ期臨床試驗。

  本年度以及1998年諾貝爾化學獎,充分說明了理論計算和模擬在科學研究中的重要性。不僅在化學和生命科學領域,科學計算和模擬結合高性能計算機,已經成為認識和解決所有複雜的科學和工程問題的重要方法,成為繼實驗科學、理論科學後,進行科技創新的第三種科學方法。就化學和生命科學而言,以1998年諾貝爾化學獎成果為代表的計算方法,解決了化學小分子的模擬問題,以今年諾貝爾化學獎成果為代表的計算方法,解決了生物大分子的模擬問題。然而,化學和生命科學中還有許多問題沒有解決,例如蛋白質折疊機製、生物網絡的調控機製、藥物作用和抗藥機製、基因組和蛋白質組等研究產生的超大規模數據分析,等等。這些問題的複雜程度遠高於生物大分子和酶催化反應的模擬,迫切需要新的理論計算和模擬方法。因此,鼎博六合可以預測未來還會有更多的諾貝爾獎會授予為解決這些問題而發展新的計算和模擬方法的科學家。 

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