生物分子體系的復(fù)雜之處在于它在自身空間尺寸和行駛功能的時(shí)間尺度上同時(shí)跨越多個(gè)數(shù)量級(jí)，無法用單一時(shí)空尺度模型來精確描述，為了研究不同尺度的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和現(xiàn)象，必須建立和使用多精度理論模型。隨著各種結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段的不斷發(fā)展與完善，越來越多的復(fù)雜生物分子的結(jié)構(gòu)被解析出來，使得對(duì)于復(fù)雜生物現(xiàn)象的微觀機(jī)理研究獲得了前所未有的原子分辨信息。但是，目前生物分子模擬研究的模型方法大多數(shù)還是局限于傳統(tǒng)的、基于固定點(diǎn)電荷的全原子模型，在精度上還與量子力學(xué)有一定差距；另一方面，在描述超大型生物分子體系的時(shí)候計(jì)算速度非常緩慢，達(dá)不到微秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度模擬的要求。新的高精度分子模型的提出以及計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展為高精度高效率理論研究生物大分子結(jié)構(gòu)與功能性之間的關(guān)系提供了強(qiáng)有力的支撐。
為了研究和回答超大型蛋白質(zhì)分子機(jī)器工作的微觀分子機(jī)理，由于計(jì)算機(jī)速度的限制，以往的粗粒化分子模型都追求計(jì)算速度而忽略了計(jì)算精度，使得計(jì)算結(jié)果過于粗糙，物理意義不明確導(dǎo)致無法正確還原成全原子模型，這樣的粗?；Ｐ蛯?duì)于大尺度的自組裝有一定的用途，但是在描述分子功能的微觀機(jī)理方面卻無能為力。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李國(guó)輝研究組自2009年以來，率先在國(guó)際上提出了速度與精度均衡發(fā)展的新型粗?；肿幽Ｐ停℅BEMP），針對(duì)有機(jī)分子溶劑、氨基酸分子、完整蛋白質(zhì)、細(xì)胞膜磷脂等一系列生物分子相關(guān)體系，進(jìn)行了系統(tǒng)理論研究和GBEMP模型搭建及驗(yàn)證工作，在國(guó)際理論計(jì)算化學(xué)核心期刊上發(fā)表了一系列研究論文。近日，該研究組關(guān)于堿基分子以及完整核酸新型粗?；Ｐ偷慕⒑万?yàn)證工作發(fā)表在理論計(jì)算化學(xué)影響因子最高雜志J. Chem. Theory Comp.上，并被選為3月刊的封面。
針對(duì)一些中等復(fù)雜的生物分子及其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分子之間相互作用描述的精度非常關(guān)鍵，全原子可極化分子力場(chǎng)是最近發(fā)展起來，并在國(guó)際上引起廣泛關(guān)注的高精度分子模型，以多極距描述固有靜電特性和誘導(dǎo)偶極描述可極化效應(yīng)的AMOEBA分子力場(chǎng)為代表。但是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件下基于這個(gè)可極化力場(chǎng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算速度非常緩慢，而且無法針對(duì)復(fù)雜生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行增強(qiáng)型采樣模擬，造成了這個(gè)高精度力場(chǎng)沒有得到廣泛實(shí)際應(yīng)用。李國(guó)輝等近日在最新GPU硬件下實(shí)現(xiàn)了這種可極化力場(chǎng)分子動(dòng)力學(xué)模擬程序的高效運(yùn)行，并且與完整的增強(qiáng)型采樣技術(shù)相結(jié)合，使得這個(gè)高精度分子力場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算速度提高了5至10倍。研究成果以部分封面形式發(fā)表在理論計(jì)算核心雜志J.Comp.Chem.上。
