如今化學(xué)家在計算機上所進行的實驗幾乎與在實驗室里做的一樣多。從計算機上獲得的理論結(jié)果被現(xiàn)實中的實驗證實，并產(chǎn)生了新的線索，引導(dǎo)人們?nèi)ヌ剿髟邮澜绻ぷ鞯脑?。由此再次證明理論和實踐間互為依存、相互促進的關(guān)系。

當(dāng)一種方法和技術(shù)被廣泛應(yīng)用并能取得促進科技發(fā)展和社會進步的實際效果時，才能體現(xiàn)它的價值。2013年諾貝爾化學(xué)獎授予三位美國科學(xué)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(fā)展的分子模擬方法對生命科學(xué)和藥物研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)展的貢獻。這是近15年來，諾貝爾化學(xué)獎第二次授予計算化學(xué)學(xué)科。
從上世紀(jì)60年代開始，隨著理論化學(xué)和計算機科學(xué)的發(fā)展，理論工作者企圖發(fā)展理論計算方法，編制計算機程序來模擬化合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，預(yù)測化學(xué)反應(yīng)規(guī)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(yù)測目前無法用實驗方法測定的現(xiàn)象（如極端高溫、高壓下物質(zhì)的性質(zhì)）。這方面的研究促使出現(xiàn)了計算化學(xué)這一新的學(xué)科。

　　計算化學(xué)基本上可以分為兩類，一類是在量子力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，發(fā)展新的計算方法，稱為量子化學(xué)。第二類是在牛頓（經(jīng)典）力學(xué)基礎(chǔ)上，發(fā)展新的計算方法，稱為分子力學(xué)。今年三位諾獎得主是第二類計算化學(xué)的代表性人物。

　　馬丁·卡普拉斯原本從事第一類計算化學(xué)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(fā)展了在核磁共振光譜測定中應(yīng)用很廣的Karplus方程。上世紀(jì)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(xué)方法發(fā)展和應(yīng)用研究上，主要貢獻是將理論物理中的多體模擬方法應(yīng)用于蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)構(gòu)和性能的研究，發(fā)展了適合于生物大分子模擬的分子動力學(xué)方法，編制了著名的軟件CHARMM。上世紀(jì)80年代，卡普拉斯等首次實現(xiàn)了蛋白質(zhì)分子動力學(xué)模擬，由于這一工作，使人們認識到“蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)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(xiàn)象，深刻地促進了生命科學(xué)的發(fā)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(xué)方法的奠基人之一。1968年，瓦謝爾跟隨利夫森做博士論文，發(fā)展了用于分子力學(xué)計算的分子力場CFF。這一年，在劍橋大學(xué)分子生物學(xué)實驗室攻讀生物物理博士學(xué)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，并且編制了計算蛋白質(zhì)構(gòu)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(guān)系和私人友誼。1972年，瓦謝爾曾到哈佛大學(xué)跟隨卡普拉斯做博士后研究，進一步完善了分子力場方法，同時與卡普拉斯一起發(fā)展了計算共軛分子基態(tài)和激發(fā)態(tài)勢能面的方法，增添了他在量子化學(xué)研究方面的技能。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(fā)展了量子力學(xué)和分子力學(xué)相結(jié)合的理論計算方法，解決了分子力學(xué)不能模擬酶催化等生物化學(xué)反應(yīng)，而量子力學(xué)方法不能計算蛋白質(zhì)等生物大分子的缺陷，將第一類和第二類計算化學(xué)方法完美地結(jié)合在一起。這是完全創(chuàng)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(xué)反應(yīng)的認識。

　　卡普拉斯、瓦謝爾和萊維特發(fā)展的方法的另一重要貢獻是促進新藥發(fā)現(xiàn)。自上世紀(jì)80年代起，分子力學(xué)、分子動力學(xué)以及量子力學(xué)和分子動力學(xué)相結(jié)合的方法被廣泛應(yīng)用于研究藥物研發(fā)。在這些方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列基于蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子三維結(jié)構(gòu)的計算機輔助藥物設(shè)計方法（例如分子對接方法），大大提高了新藥發(fā)現(xiàn)的效率。用傳統(tǒng)方法研發(fā)一個新藥需要花費10億美元以上的科研經(jīng)費，耗時10年以上的時間。計算機輔助藥物設(shè)計方法的應(yīng)用，可以節(jié)約研發(fā)成本約1.3億美元，縮短研發(fā)周期1年左右。因此，計算機輔助藥物設(shè)計方法已經(jīng)成為新藥研發(fā)的核心技術(shù)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(shè)計方法發(fā)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(xué)和藥物研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展。自上世紀(jì)80年代中期開始，我國開始從事分子模擬和基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計研究。中國科技大學(xué)施蘊渝院士等首先將分子動力學(xué)方法引入國內(nèi)，應(yīng)用于生物大分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究；中國科學(xué)院上海藥物研究所陳凱先院士等率先在我國從事基于生物大分子結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計研究。目前，分子模擬方法在我國已經(jīng)十分普及，成為許多從事分子和細胞生物學(xué)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(xué)基金委等其他部委資助項目的持續(xù)支持下，我國計算機輔助藥物設(shè)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(lǐng)先水平。一些計算機輔助藥物設(shè)計方法參與研發(fā)的藥物已經(jīng)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(fā)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(jiān)督管理局簽發(fā)的藥物臨床試驗批件，獲準(zhǔn)進入Ⅰ期臨床試驗。

　　本年度以及1998年諾貝爾化學(xué)獎，充分說明了理論計算和模擬在科學(xué)研究中的重要性。不僅在化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)計算和模擬結(jié)合高性能計算機，已經(jīng)成為認識和解決所有復(fù)雜的科學(xué)和工程問題的重要方法，成為繼實驗科學(xué)、理論科學(xué)后，進行科技創(chuàng)新的第三種科學(xué)方法。就化學(xué)和生命科學(xué)而言，以1998年諾貝爾化學(xué)獎成果為代表的計算方法，解決了化學(xué)小分子的模擬問題，以今年諾貝爾化學(xué)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(xué)和生命科學(xué)中還有許多問題沒有解決，例如蛋白質(zhì)折疊機制、生物網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機制、藥物作用和抗藥機制、基因組和蛋白質(zhì)組等研究產(chǎn)生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)分析，等等。這些問題的復(fù)雜程度遠高于生物大分子和酶催化反應(yīng)的模擬，迫切需要新的理論計算和模擬方法。因此，我們可以預(yù)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(fā)展新的計算和模擬方法的科學(xué)家。 

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