2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位美國(guó)科學(xué)家馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、邁克爾·萊維特（Michael Levitt）及亞利耶·瓦謝爾（Arieh Warshel），也使得“復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型”這樣一個(gè)拗口陌生的詞組進(jìn)入了大眾的視線。除了化學(xué)之外，它還涉及經(jīng)典物理、量子物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)，被人戲稱為“理綜獎(jiǎng)”。

這一期專題中，南方日?qǐng)?bào)邀請(qǐng)了中山大學(xué)物理化學(xué)研究所柯卓鋒副教授解讀這一項(xiàng)在分子科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響的成就。

用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜化學(xué)體系

什么是“復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型”？

在我們目前認(rèn)知的世界里，物質(zhì)主要由形形色色的分子組成，有簡(jiǎn)單的小分子和復(fù)雜的大分子體系。如何從簡(jiǎn)單的物理定律出發(fā)，直接推演這些分子世界的運(yùn)作機(jī)制和結(jié)構(gòu)功能，是科學(xué)家的夢(mèng)想。

柯卓鋒介紹，如果將分子看作是球（原子）和棍（鍵）搭建起來(lái)的模型，我們可以簡(jiǎn)單通過(guò)牛頓經(jīng)典力學(xué)描述它的狀態(tài)。但是化學(xué)反應(yīng)涉及電子轉(zhuǎn)移與重組?！半娮泳哂卸笮裕瓤梢允橇Ｗ?，也可以同時(shí)是波，就像薛定諤的貓，它可以同時(shí)處于活著和死亡的狀態(tài)?！彼噪娮拥臓顟B(tài)需要用量子力學(xué)來(lái)處理。

上述兩種力學(xué)方法各有優(yōu)劣。經(jīng)典力學(xué)計(jì)算較簡(jiǎn)單，可以處理大型的分子結(jié)構(gòu)，但是無(wú)法模擬化學(xué)反應(yīng)。量子力學(xué)能夠處理電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)，但是需要計(jì)算分子內(nèi)每一個(gè)電子和每一個(gè)原子核，計(jì)算量巨大。

在之前，科學(xué)家只能夠用量子力學(xué)去計(jì)算小分子，對(duì)于復(fù)雜的化學(xué)體系，例如生命中的大分子，海量的電子和分子軌道波函數(shù)是難以逾越的挑戰(zhàn)。

柯卓鋒介紹，獲得了今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的“復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型”是突破性進(jìn)展。他們綜合量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)兩者之長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出了適用于復(fù)雜大分子體系的結(jié)合方法：對(duì)目標(biāo)大分子，例如酶，用量子力學(xué)處理催化反應(yīng)部分，剩下的酶結(jié)構(gòu)則用簡(jiǎn)便的經(jīng)典力學(xué)處理。

該模型已應(yīng)用到科學(xué)和生活方方面面

三個(gè)人通過(guò)合作逐步建立起這樣一個(gè)“復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型”的過(guò)程也頗有趣味。瓦舍爾和萊維特是同學(xué)，曾共同發(fā)展了基于CFF經(jīng)典力場(chǎng)的程序用來(lái)計(jì)算生物大分子。

1970年瓦舍爾博士畢業(yè)后來(lái)到卡普拉斯在美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室，帶來(lái)了與萊維特合作開發(fā)的計(jì)算程序。在這里，他和卡普拉斯共同開發(fā)了一種處理視網(wǎng)膜分子的新模型，于1972年發(fā)表，在世界上首次用量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)結(jié)合的方法來(lái)處理分子體系。

隨后瓦舍爾和萊維特在劍橋再度合作，將兩種力學(xué)結(jié)合模型拓展到真正的生物大分子。1976年，他們成功發(fā)表了世界上首個(gè)酶類反應(yīng)的多尺度模型計(jì)算。

自此，復(fù)雜化學(xué)生物體系不再是不可逾越的大山。這種多尺度模型今天被廣泛稱作QM/MM，即量子力學(xué)/分子力學(xué)，是目前研究化學(xué)、生物復(fù)雜分子體系的前沿技術(shù)手段。

柯卓鋒說(shuō)，“復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型”首次提出創(chuàng)意并實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)結(jié)合處理分子體系，使得模擬計(jì)算復(fù)雜的大分子成為現(xiàn)實(shí)，大大拓寬了我們認(rèn)識(shí)分子世界的視野。

實(shí)驗(yàn)科學(xué)很難捕捉復(fù)雜體系中的瞬間化學(xué)變化，多尺度模型則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬解開化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的神秘面紗，可廣泛適用于分子科學(xué)相關(guān)的化學(xué)、醫(yī)藥、材料和生命科學(xué)領(lǐng)域。

他舉例說(shuō)，人體內(nèi)的各種分子轉(zhuǎn)化過(guò)程紛繁復(fù)雜，轉(zhuǎn)瞬則逝，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)很難記錄其具體過(guò)程，而多尺度模擬計(jì)算則可以揭示我們生命體內(nèi)物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制，進(jìn)而激發(fā)我們的仿生創(chuàng)新：例如模擬光合作用，有效分解水得到氧氣和氫氣，可以優(yōu)化太陽(yáng)能電池，制造燃料；模擬生物固氮，我們可以利用空氣中的氮?dú)馓岣呒Z食的產(chǎn)量。而且，通過(guò)精細(xì)模擬藥物分子與靶蛋白相互作用和結(jié)合機(jī)制，可以開發(fā)新藥物；通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)路徑，可以設(shè)計(jì)新穎合成方法等。

“總之，在以Karplus，Levitt和Warshel為代表的眾多計(jì)算化學(xué)、計(jì)算生物學(xué)科學(xué)家的努力下，復(fù)雜分子體系的多尺度模擬已經(jīng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，越來(lái)越多的新發(fā)現(xiàn)和新應(yīng)用都直接或間接地從中獲益”。