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解读2013诺贝尔化学奖 把化学反应“搬进”计算机

2013.10.10

  北京时间10月9日下午5点45分,2013年诺贝尔化学奖揭晓,美国三位科学家Martin Karplus, Michael Levitt和Arieh Warshel获奖,获奖理由是“为复杂化学系统创立了多尺度模型”。

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Martin Karplus, Michael Levitt和Arieh Warshel

  计算机——原子世界里你的维吉尔(Virgil)

  化学家们曾用塑料的球和棍来搭建分子模型。而到今天,建模这一工作变成了在计算机中进行。上个世纪70年代,Martin Karplus,Michael Levitt和Arieh Warshel就为研发了解和预测化学过程的强有力的计算机程序奠定了基础。对今天的大部分化学研究进展而言,反映真实世界的计算机模型起到了极其关键的作用。

  化学反应是瞬间发生的。在不到毫秒的时间里,电子从一个原子核跳向另一个原子核。经典化学很难捕捉到这一瞬间;用实验方法来记录化学过程中的每一步是不可能办到的。此次获奖的科学家们所提出的方法能让科研人员通过计算机来解开化学反应过程的神秘面纱,比如废气的催化提纯或者绿叶的光合作用。

  Karplus,Levitt和Warshel的研究是突破性的,因为他们成功地让牛顿经典物理学与截然不同的量子物理学齐头并进。在此之前,化学家们在研究中只能两者之间选其一。经典物理学的优势在于计算简便,可适用于大分子模型。而其劣势则在于,无法模拟化学反应过程。这使得化学家只好选择量子物理学,但却需要庞大的计算能力而最终不得不应用在小分子身上。

  今年的三位获奖者则取两者之精华,设计出了适用于经典和量子物理学的方法。例如,在模拟药物如何与身体内的目标蛋白耦合时,计算机能够对目标蛋白中那些与药物产生作用的原子采用量子物理学计算方法,而对蛋白质中剩下的部分则可以采用要求不那么高的经典物理学方法。

  对于今天的化学家来说,计算机就像试管一样重要。模拟过程是如此的真实以至于传统实验的结果也能被计算机预测出来。

  “分而治之”描述化学反应

  化学反应是一个微观过程,许多化学反应的发生可能只需要几微秒。因此,传统上用实验手段描述出反应过程的每一个步骤几乎不可能实现。而此次获奖的三位科学家使计算机成为了化学反应的新“试管”。

  中国科学院大学化工学院教授汪志祥向《中国科学报》记者解释:“比如,生命体中的核糖从无规则的多肽链发展到稳定的蛋白质结构所耗时间在微秒级。如扫描这一过程,耗费的时间将是天文数字,这是传统研究的难点。”

  “早在上世纪70年代,瓦谢尔从理论上提出,可以用计算机模拟、以量子力学和分子力学结合的方式描述化学过程。而在卡普拉斯之后,这一理论得到广泛的应用。”北京师范大学化学学院教授方维海对《中国科学报》记者说,“三位科学家在理论方法和应用上的贡献能够帮助科学家从微观尺度上理解化学过程的本质。”

  “量子力学的描述小而精,分子力学的描述大但精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程,计算将难以进行,所以,多尺度组合的方法便成了最好的选择。”方维海说,“这与中国古代‘分而治之’的哲学思想类似。”

  开创化学研究新局面

  中科院化学所研究员史强对《中国科学报》记者说:“三位科学家建立了基于量子力学、经典力学以及混合量子—经典力学的理论模型,通过计算机模拟的方法来研究蛋白质分子的运动和酶催化反应机理。”

  史强认为,他们的工作在发展分子动力学模拟方法,研究复杂化学体系的运动规律方面完成了开创性的工作。

  北京大学化学与分子工程学院高毅勤则指出,化学是一门实验性的学科,三位科学家提出的模型对化学的定量化研究以及化学理论研究和实验研究有非常重要的指导作用。同时,该模型还被应用于计算化学、生物化学、生物物理学以及物理学与应用数学,是典型的跨学科成果。

  因此,高毅勤向《中国科学报》记者表示:“三位获奖者的研究对化学学科的推进、化学与生物学科交叉发展都发挥了相当大的作用,具有里程碑式的意义。”

  国内研究前景看好

  方维海介绍,尽管国内该领域的研究起步较晚,但2000年以后,随着国家科研实力增强,这一领域研究已经取得长足进步。

  去年9月,方维海课题组便采用高精度的量子化学计算对萤火虫发光机理进行了进一步探索,提出了渐进可逆电荷转移引发荧光的新机理,首次在电子态的水平阐明了萤火虫生物发光的化学起源。

  2002年至2004年,高毅勤在哈佛大学做博士后期间,师从此次获奖的卡普拉斯。在高毅勤看来,国内分子模拟相关研究发展方兴未艾,也正在进行方法性创新。“我看好国内分子模拟发展前景。”他向记者表示。

  高毅勤课题组致力于用理论与计算方法研究生物分子的溶液构象、生物酶催化机制和化学反应中的溶剂化效应。他们成功地预言了一系列蛋白质多肽链折叠机制和其中的共溶剂效应。

  “计算机模拟还将被广泛应用于计算机辅助药物设计,具有节省时间和成本等优点。”汪志祥告诉记者。

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