我院柯卓锋副教授接受南方日报采访解读诺贝尔奖"复杂化学体系的多尺度模型"

       日前，我院柯卓锋副教授应南方日报邀请，就诺贝尔奖"复杂化学体系的多尺度模型"--这一项在分子科学领域产生巨大影响的成就，进行了解读。
       以下转载自   南方日报2013-10-14第A12版：

核心交给量子物理 外围交给经典物理

        2013年诺贝尔化学奖授予了三位美国科学家马丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、迈克尔·莱维特（Michael Levitt）及亚利耶·瓦谢尔（Arieh Warshel），也使得“复杂化学体系的多尺度模型”这样一个拗口陌生的词组进入了大众的视线。除了化学之外，它还涉及经典物理、量子物理和计算机科学，被人戏称为“理综奖”。

       这一期专题中，南方日报邀请了永利集团3044noc登录入口物理化学研究所柯卓锋副教授解读这一项在分子科学领域产生巨大影响的成就。

　　
　　用计算机模拟复杂化学体系 什么是“复杂化学体系的多尺度模型”？

　　在我们目前认知的世界里，物质主要由形形色色的分子组成，有简单的小分子和复杂的大分子体系。如何从简单的物理定律出发，直接推演这些分子世界的运作机制和结构功能，是科学家的梦想。
　　柯卓锋介绍，如果将分子看作是球（原子）和棍（键）搭建起来的模型，我们可以简单通过牛顿经典力学描述它的状态。但是化学反应涉及电子转移与重组。“电子具有二象性，它既可以是粒子，也可以同时是波，就像薛定谔的猫，它可以同时处于活着和死亡的状态。”所以电子的状态需要用量子力学来处理。
　　上述两种力学方法各有优劣。经典力学计算较简单，可以处理大型的分子结构，但是无法模拟化学反应。量子力学能够处理电子结构和化学反应，但是需要计算分子内每一个电子和每一个原子核，计算量巨大。
　　在之前，科学家只能够用量子力学去计算小分子，对于复杂的化学体系，例如生命中的大分子，海量的电子和分子轨道波函数是难以逾越的挑战。
　　柯卓锋介绍，获得了今年的诺贝尔化学奖的“复杂化学体系的多尺度模型”是突破性进展。他们综合量子力学和经典力学两者之长，设计出了适用于复杂大分子体系的结合方法：对目标大分子，例如酶，用量子力学处理催化反应部分，剩下的酶结构则用简便的经典力学处理。
　　该模型已应用到科学和生活方方面面三个人通过合作逐步建立起这样一个“复杂化学体系的多尺度模型”的过程也颇有趣味。瓦舍尔和莱维特是同学，曾共同发展了基于CFF经典力场的程序用来计算生物大分子。
　　1970年瓦舍尔博士毕业后来到卡普拉斯在美国的实验室，带来了与莱维特合作开发的计算程序。在这里，他和卡普拉斯共同开发了一种处理视网膜分子的新模型，于1972年发表，在世界上首次用量子力学和经典力学结合的方法来处理分子体系。
　　随后瓦舍尔和莱维特在剑桥再度合作，将两种力学结合模型拓展到真正的生物大分子。1976年，他们成功发表了世界上首个酶类反应的多尺度模型计算。
　　自此，复杂化学生物体系不再是不可逾越的大山。这种多尺度模型今天被广泛称作QM/MM，即量子力学/分子力学，是目前研究化学、生物复杂分子体系的前沿技术手段。
　　柯卓锋说，“复杂化学体系的多尺度模型”首次提出创意并实现量子力学和经典力学结合处理分子体系，使得模拟计算复杂的大分子成为现实，大大拓宽了我们认识分子世界的视野。
　　实验科学很难捕捉复杂体系中的瞬间化学变化，多尺度模型则可以通过计算机模拟解开化学反应过程的神秘面纱，可广泛适用于分子科学相关的化学、医药、材料和生命科学领域。
　　他举例说，人体内的各种分子转化过程纷繁复杂，转瞬则逝，常规的实验很难记录其具体过程，而多尺度模拟计算则可以揭示我们生命体内物质代谢和能量转换的分子机制，进而激发我们的仿生创新：例如模拟光合作用，有效分解水得到氧气和氢气，可以优化太阳能电池，制造燃料；模拟生物固氮，我们可以利用空气中的氮气提高粮食的产量。而且，通过精细模拟药物分子与靶蛋白相互作用和结合机制，可以开发新药物；通过优化反应路径，可以设计新颖合成方法等。
　　“总之，在以Karplus，Levitt和Warshel为代表的众多计算化学、计算生物学科学家的努力下，复杂分子体系的多尺度模拟已经产生了深远的影响，越来越多的新发现和新应用都直接或间接地从中获益”。