虛擬技術(shù)與化學(xué)研究

姚建華 李佳 黃迎 徐雯麗 蔣舒仰 胡靜

中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所 （上海 200032）

綜述

虛擬技術(shù)與化學(xué)研究

姚建華 李佳 黃迎 徐雯麗 蔣舒仰 胡靜

中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所 （上海 200032）

介紹了虛擬技術(shù)和化學(xué)信息等概念、內(nèi)容以及兩者的關(guān)系。提出了化學(xué)研究的現(xiàn)代模式的理念。列舉兩種模式的分子設(shè)計流程，顯示虛擬技術(shù)在化學(xué)研究中的重要作用。實踐證明，應(yīng)用虛擬技術(shù)可以在一定程度上提高化學(xué)研究效率，降低研究過程中產(chǎn)生的污染。

虛擬技術(shù) 化學(xué)信息學(xué) 化學(xué)研究

0 前言

隨著計算機(jī)科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)在科研、生產(chǎn)、服務(wù)等領(lǐng)域都得到深入廣泛的應(yīng)用，虛擬技術(shù)亦隨之發(fā)展并在科技、商業(yè)、醫(yī)療、飛機(jī)／汽車制造、駕駛培訓(xùn)、娛樂等多個領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。如美國波音747的研制就是應(yīng)用虛擬技術(shù)的一個典型例子。化學(xué)信息學(xué)是應(yīng)用于化學(xué)研究的虛擬技術(shù)之一。

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學(xué)[1]，其研究內(nèi)容主要可歸納為三部分，即分子設(shè)計、合成設(shè)計和結(jié)構(gòu)確定?；瘜W(xué)研究的傳統(tǒng)模式包括靈感、經(jīng)驗和實驗。

本文將提出并介紹化學(xué)研究的現(xiàn)代模式——靈感、經(jīng)驗、虛擬技術(shù)和實驗的組合。

1 虛擬技術(shù)

虛擬技術(shù)是使相關(guān)工作在計算機(jī)上實現(xiàn)或通過計算機(jī)模擬實現(xiàn)的技術(shù)[1]，早在20世紀(jì)70年代便開始將其應(yīng)用于宇航員培訓(xùn)。由于這是一種消耗低、安全有效的培訓(xùn)方法，現(xiàn)今已被推廣到各行各業(yè)的培訓(xùn)中，并已在科研、教育、商業(yè)、醫(yī)療、生物制藥、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、娛樂等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在此，只簡單介紹它們在教育、生物制藥和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用狀況。

1.1 教育領(lǐng)域

隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)要求的不斷提高，虛擬技術(shù)已進(jìn)入教育領(lǐng)域，并且已成為完成教育工作的一種有效方式。例如利用化學(xué)教育軟件，展示化學(xué)實驗的流程和結(jié)果。學(xué)生可以通過使用該軟件，了解和掌握整個實驗過程，然后再進(jìn)行實踐操作。這樣，既可以減少實驗的危險性，又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，減少不必要的浪費。再如利用物理教學(xué)軟件，開展“歐姆定律”的講解，其效果生動，且學(xué)生便于理解。

1.2 生物制藥領(lǐng)域

虛擬技術(shù)在生物制藥方面的應(yīng)用主要是在藥物的設(shè)計階段：采用相關(guān)的分子設(shè)計軟件，設(shè)計藥物小分子，模擬小分子與受體的相互作用，預(yù)測小分子的生物活性、毒性、排泄、吸收、代謝途徑、代謝物及其各類性質(zhì)。目前，這種藥物設(shè)計模式已被國際專業(yè)制藥公司在研發(fā)新藥時采用，并與實驗相結(jié)合，以達(dá)到減少研發(fā)消耗，提高研發(fā)成功率的目標(biāo)。

1.3 醫(yī)療領(lǐng)域

虛擬技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)模擬、醫(yī)學(xué)影像檢查和臨床診斷。已經(jīng)報道的“上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院骨科專家成功完成真正意義上的3D打印骨盆重建手術(shù)”，是虛擬技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域成功應(yīng)用的又一案例。

2 化學(xué)信息學(xué)

化學(xué)信息學(xué)的研究領(lǐng)域并未經(jīng)過刻意界定，很多化學(xué)家在各自不同的研究領(lǐng)域中力爭發(fā)展和采用計算機(jī)的方法來處理大量涌現(xiàn)的化學(xué)信息，建立化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。在20世紀(jì)60年代，化學(xué)信息學(xué)的發(fā)展已初見端倪，到了70年代開始出現(xiàn)了颶風(fēng)式的發(fā)展。因此，相關(guān)的化學(xué)信息學(xué)的定義有多種。比較典型的有以下一些論述。

（1）采用分子模擬和數(shù)據(jù)分析技術(shù)與高分辨圖形顯示組合，得到了令人驚訝的結(jié)果。因此，化學(xué)信息學(xué)是通過應(yīng)用信息技術(shù)幫助化學(xué)家研究新問題、組織并分析科學(xué)數(shù)據(jù)，以研發(fā)新化合物、新材料的過程[2]。

（2）很多人認(rèn)為化學(xué)信息學(xué)是化學(xué)信息的擴(kuò)展，它涵蓋了與化學(xué)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲和計算方法相關(guān)的領(lǐng)域，如化合物登記系統(tǒng)、在線化學(xué)文獻(xiàn)、結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系分析和分子性質(zhì)計算[3]。

化學(xué)信息學(xué)作為一個學(xué)科名稱來說是很新的，但我們可以體會到，它存在于我們周圍已經(jīng)有了一段時間。不同的階段常會給出不同的化學(xué)信息學(xué)的定義。所以，在討論這些不同觀點的時候，我們認(rèn)為“化學(xué)信息學(xué)是一門應(yīng)用信息學(xué)方法和計算機(jī)技術(shù)來輔助解決化學(xué)問題的學(xué)科”[4]這個論述更具有普適性。

化學(xué)信息學(xué)方法主要有三種，即基于數(shù)據(jù)、基于邏輯和基于原理。

（1）基于數(shù)據(jù)的方法建立和利用多種化學(xué)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和化學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。該方法主要的作用是在數(shù)據(jù)庫中獲得已記錄的相關(guān)信息。

（2）基于邏輯的方法利用已有的化學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，利用歸納、推理和分類等方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識，并對知識實施有效的管理，以便于知識得到廣泛的應(yīng)用。最終，能用于解決實際的化學(xué)問題。該方法適用于大量數(shù)據(jù)的處理，對象具有比較強(qiáng)的規(guī)律性。同時，它能解決數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不能解決的問題。

（3）基于原理的方法利用已有的量子化學(xué)的理論，對化學(xué)對象作相關(guān)的量化計算，并根據(jù)計算結(jié)果，研究對應(yīng)的化學(xué)問題。該方法能從原理上解釋化學(xué)問題，但不適用于大批數(shù)據(jù)和大的體系的處理。

在化學(xué)研究中，這三種方法相輔相成。對于不同的研究對象或不同的研究階段，采用對應(yīng)的方法組合。

3 化學(xué)研究

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學(xué)。有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的來源、制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途和有關(guān)理論的一門學(xué)科，由于有機(jī)化合物都含有碳，同時以碳、氫化合物為母體，因此這門學(xué)科又可稱為“碳化合物的化學(xué)”或“碳?xì)浠衔锛捌溲苌锏幕瘜W(xué)”，隨著這門學(xué)科的發(fā)展，誕生出了高分子化學(xué)、元素有機(jī)化學(xué)等新學(xué)科，為合成染料、橡膠、纖維、藥物、塑料等有機(jī)化學(xué)工業(yè)建立了理論基礎(chǔ)。

化學(xué)的研究內(nèi)容主要可歸納為三部分：分子設(shè)計、合成設(shè)計和結(jié)構(gòu)確定。利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計具有特定功能的化合物即為分子設(shè)計[5]；利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計特定化合物的合成路線即是合成設(shè)計；結(jié)構(gòu)確定包括兩部分：結(jié)構(gòu)解析和譜圖模擬。結(jié)構(gòu)解析是根據(jù)已有的化學(xué)譜圖，推測對應(yīng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。譜圖模擬是基于化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，預(yù)測其化學(xué)譜圖。

化學(xué)是重要的基礎(chǔ)科學(xué)之一，它也是一門建立在實驗基礎(chǔ)上的科學(xué)。在化學(xué)研究中實驗和理論這兩方面一直是相互依賴、彼此促進(jìn)的?；瘜W(xué)是一門古老而歷史悠久的科學(xué)，它的研究模式為靈感、經(jīng)驗和實驗（見圖1）。

圖1 化學(xué)研究的傳統(tǒng)模式

長期實驗數(shù)據(jù)的積累，為現(xiàn)在和今后的化學(xué)研究提供了寶貴的財富。截至2013年12月，已有記載的小分子化合物達(dá)7600多萬個，化學(xué)反應(yīng)約5 580萬個。要有效應(yīng)用如此大量的研究和實驗數(shù)據(jù)，只有采用信息技術(shù)才能實現(xiàn)。在此，我們提出了化學(xué)研究的現(xiàn)代模式，即在化學(xué)研究的傳統(tǒng)模式中融入虛擬技術(shù)（見圖2）。

分子設(shè)計是化學(xué)研究的內(nèi)容之一。傳統(tǒng)模式的分子設(shè)計流程如圖3所示，某種化合物的性質(zhì)，通常是在得到化合物之后，經(jīng)過實驗測試才可獲得對應(yīng)的性質(zhì)?，F(xiàn)代模式的分子設(shè)計流程如圖4所示，化合物的性質(zhì)，可以用相關(guān)軟件預(yù)測獲得。根據(jù)獲得的預(yù)測結(jié)果和經(jīng)驗，決定是否要合成該化合物。

圖3和圖4中的分子設(shè)計流程顯示，兩者的差異主要在合成之前。傳統(tǒng)模式在合成之前的分析工作僅以文獻(xiàn)信息作為判斷依據(jù)。而現(xiàn)代模式，既以文獻(xiàn)信息作為判斷依據(jù)，又以軟件預(yù)測結(jié)果作為分析判斷依據(jù)。從原理上講，采用現(xiàn)代模式合成的化合物，其符合需求的成功率要高于傳統(tǒng)模式，研究過程中產(chǎn)生污染的幾率要比傳統(tǒng)模式的低。

圖2 化學(xué)研究的現(xiàn)代模式

圖3 傳統(tǒng)模式的分子設(shè)計流程

4 結(jié)論

圖4 現(xiàn)代模式的分子設(shè)計流程

本文簡單介紹了虛擬技術(shù)和化學(xué)信息學(xué)概念、內(nèi)容及兩者的關(guān)系，化學(xué)信息學(xué)是用于化學(xué)研究的虛擬技術(shù)之一。提出了化學(xué)研究的現(xiàn)代模式的理念，即靈感、經(jīng)驗、虛擬技術(shù)和實驗的組合，它是傳統(tǒng)模式的發(fā)展。文中列舉的兩種模式的分子設(shè)計流程顯示了虛擬技術(shù)在化學(xué)研究中的重要作用，即提高研究效率、只做必要的實驗、降低研究過程中產(chǎn)生的污染。

[1] WhatisChemistry?[Z].http://chemweb.ucc. ie/what_is_chemistry.htm,2012-01-31.

[2] Gary D Wiggins What is Chemical Informatics?[Z].http: //www.chembiogrid.info,2007-2-14.

[3] Timothy Ritchie.Chemoinformatics:manipulating chemical information to facilitate decision-making in drug discovery [J].DrugDiscoveryToday2001,6(16):813-814.

[4] Gasteiger J,Engel T,Chemoinformatics:A Textbook[M]. Wiley-VCH,2004.

[5] molecular desigh[Z].http://goldbook.iupac.org/MT06968. html,2012-01-31.

Virtual Technology and Chemical Research

Yao Jianhua Li Jia Huang Ying Xu Wenli Jiang Shuyang Hu Jing

Introduces virtual technology,chemical research and their relation,puts forward the modern mode of chemical research.Enumerates molecular design processes by two modes to show that virtual technology plays an important role in chemical research.Practice has proved that applying virtual technology can partly improves the efficiency of chemical research and reduces the pollution in the process of research.

Virtual technology;Chemoinformatics;Chemical research

TP 311

2014年5月

國家973項目（2010CB126103）、國家自然科學(xué)基金項目（21072216）

姚建華女1963年生研究員獲法國巴黎第七大學(xué)博士學(xué)位目前主要從事化學(xué)信息學(xué)及其應(yīng)用工作