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間尺度上同時跨越多個數(shù)量級，無法用單一時空尺度模型來精確描述，為了研究不同尺度的實(shí)驗(yàn)對象和現(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候計(jì)算速度非常緩慢，達(dá)不到微秒甚至更長時間尺度模擬的要求。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，這樣的粗粒化模型對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。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李國輝研究組自2009年以來，率先在國際上提出了速度與精度均衡發(fā)展的新型粗粒化分子模型（GBEMP），針對有機(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粒化模型的建立和驗(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是最近發(fā)展起來，并在國際上引起廣泛關(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分子力場為代表。但是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件下基于這個可極化力場的分子動力學(xué)模擬計(jì)算速度非常緩慢，而且無法針對復(fù)雜生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行增強(qiáng)型采樣模擬，造成了這個高精度力場沒有得到廣泛實(shí)際應(yīng)用。李國輝等近日在最新GPU硬件下實(shí)現(xiàn)了這種可極化力場分子動力學(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，使得這個高精度分子力場的動力學(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。
