“發展複雜化學體系多尺度模型”這個陌生描述,隨著今年諾貝爾化學獎的公佈而進入公眾的視野。11月23日,由南方都市報和廣東科學中心聯合舉辦的小谷圍科學講壇,邀請中山大學物理化學研究所所長、博士生導師趙存元教授,專門解讀今年的諾貝爾化學獎。雖然話題是艱深的化學理論,會場卻爆滿,聽眾非常專業的提問令趙存元贊嘆不已。
  諾獎科學家“打開了一扇門”
  有科普作者形象解釋本次諾貝爾化學獎的獲獎原因,是將牛頓的蘋果(代指以牛頓經典力學為基礎的經典物理理論)和薛定諤的貓(代指量子物理。薛定諤為奧地利著名的量子物理科學家)很好地結合在一起。
  趙存元說,傳統物理和量子物理完全是兩套完全不同的理論體系,但都有缺陷。比如經典物理只能處理宏觀物體,例如化學上對分子所採用的球棍模型。分子由原子構成,原子又由原子核和電子構成,化學反應中所涉及到的電子的運動過程非常快,遵循量子力學的運動規律,經典物理對此無能為力。而量子物理可將這些電子的量子狀態進行較為準確的描述。但是,“量子力學只能計算較小的分子體系,因為它要處理每一個原子核和電子。太大的分子由於所包含的原子核和電子的數目太多,在計算處理上非常非常困難。”因此為了處理大分子的複雜化學體系,科學家們在上世紀70年代提出了將量子力學和分子力學兩種方法相結合的思路:即核心的化學變化用量子力學來精確計算,外圍用分子力學,也就是牛頓的經典力學來算。
  趙存元說,科學家前輩巧妙結合了量子物理和經典物理各自的長處,就好像打開了一扇門,將牛頓的蘋果和薛定諤的貓結合在了一起,解決了複雜化學體系的模擬問題,大大拓寬了所研究的分子尺度,是對化學科學領域產生巨大影響的成就。
  未來對醫葯和材料等有深遠影響
  趙存元認為,複雜化學的多尺度模型應用將在生物、藥物設計、材料設計、金屬催化等領域產生非常深遠的影響。未來的化學實驗很多有可能可以直接在計算機上進行模擬。
  他解釋,對於材料設計來說,決定材料的性能關鍵就是在其微觀結構,微觀結構的精細部分需要用量子力學來計算,其他宏觀部分可以用分子力學來處理。如何調節其微觀結構,使得它得到最好的宏觀性能,多尺度模型計算的優勢會非常明顯。
  此外,在醫葯領域,比如要研發一種新型的藥物,我們可以通過多尺度理論模型進行基於靶點的藥物設計探索,研究活性位點和作用機制。然後可以通過經典力學或者半經驗的辦法,在成千上萬個數據庫化合物中篩選出可能的候選藥物,再通過合成與活性測試等逐步實現新藥的開發。多尺度模型在藥物研發中的應用可以大大節省人力、物力、財力,提高新藥研製的效率。
  現場
  觀眾提問專業 教授“嘿嘿”鼓勵
  在當天的講座現場,學術報告廳里觀眾爆滿,其中大部分是來自各大高校生物、醫葯、物理、化學甚至石油勘探等專業的學生。看到有這麼多人對艱深的化學理論問題感興趣,趙存元教授相當欣慰。每有精彩提問,他都會笑出聲來。“嘿嘿,你提出這個問題,說明你對這個理論理解過”,“嘿嘿,你的問題非常好,看來今天來聽講座的不是來浪費時間的”……原計劃30分鐘的互動環節,最終持續了一個多小時。會後趙存元感嘆,“這些都是未來薪火”。
  Q:我聽過一個外國教授的講座,他把一個分子基因引入到藥物分子裡面,然後測試了大概1000多種最後合成的分子,尋找了很多活性點,最後篩選了100個左右。但是,他按照他軟件設計出來的藥物,前十個最好的反而在動物試驗裡面沒有效果,排在大概50到60位的某兩個分子才有效,為什麼會出現這種偏差呢,今後能不能解決這個問題?
  A:我的理解有兩個可能性。一是這個計算機藥物輔助設計的精確度不夠。另外,藥物合成是純化學行為,進入人體參與新陳代謝又是生物行為,這個過程非常複雜,所以做這個計算的時候,最主要的是建模是否合理。
  Q:想請你展望下一屆諾獎化學獎會在哪個方面?
  A:很難預測,但肯定不會是理論化學領域了。從1981年理論化學獲得諾貝爾化學獎到今年30多年的時間,理論化學領域先後三次獲獎,每次間隔時間不到20年。由於計算機技術的飛速發展,理論計算化學才得到了飛速的發展,也越來越受到化學界的重視。
  統籌:南都記者 陳實 嚴慧芳 採寫/攝影:南都記者 劉軍 實習生 王鳳霞  (原標題:未來新藥或可在計算機里研發)
創作者介紹

marco

cl04cldeid 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()