【双清论坛】国内计算化学方法与软件开发(Ⅱ)

本文是国内计算方法与软件开发系列推文的第二部分：分子力场与动力学模拟。

1. 全原子分子力场 ● 北京大学的蒋帆、吴云东等近年来开发了一系列残基特异性力场(RSFF)。新力场能够更准确地模拟多肽和蛋白质体系。这一系列的RSFF力场借助GROMACS软件实现。 ● 孙淮(现上海交通大学)早年在美国期间开发了广泛使用的COMPASS力场。回国后，他与合作者发展了TEAM力场框架，在此框架下的某些力场在GROMACS软件中实现。孙淮还与国外的公司合作，开发了COMPASS II通用力场，可以用来模拟类药小分子和高分子等材料体系。此力场在Forcite、Discover、Materials Studio 等软件中实现。
2. 粗粒化分子力场与动力学模拟 当全原子分子动力学(MD)模拟也无法胜任某些超大体系时，各种不同的粗粒化(coarse-graining, CG)方法能大大提升计算效率。 ● 韩伟、吴云东等开发了与Marrink的粗粒化水模型结合使用的联合原子蛋白质力场PACE。由于生物分子体系的全原子MD模拟中主要的计算量通常都消耗在处理水分子上，使用粗粒化水模型可以大大提高模拟速度，同时又能保持对溶质的细节描述。 ● 大连化学物理研究所的李国辉等开发了新的粗粒化模型GBEMP。对多肽和蛋白体系，使用了各向异性的Gay-Berne粒子来代表若干个原子的集合。最近，他们又将GBEMP力场扩展到核酸体系。 ● 对于凝聚态软物质体系的粗粒化模拟，耗散粒子动力学(DPD)相对于通常的MD有其独特的优势。北京师范大学高靓辉、方维海等最近开发了针对多种生物分子的CG-PDP力场，能成功模拟脂双层体系的结构特征，以及多肽与生物膜的相互作用。 ● 吉林大学的吕中元、朱有亮(现长春应化所)等开发了利用GPU进行大尺度分子模拟的GALAMOST 软件。全部计算都在GPU上完成，效率高，且可以模拟数百万粒子的体系。
3. 可极化力场与电荷模型 可极化力场考虑了分子内外的环境对分子电荷分布(如原子电荷)的影响，可看作是精细程度介于电子结构方法和经典分子力场方法之间的模型。 ● 华东师范大学的张增辉、季长鸽、梅晔等利用他们开发的线性标度量子化学计算方法MFCC(分子碎片共轭帽子)可以得到蛋白特异性极化电荷(PPC)，利用AMBER 软件可以进行MD模拟和自由能计算。 ● 辽宁师范大学的杨忠志、赵东霞、宫利东等，在其前期原子-键电负性均衡模型ABEEM的基础上，发展了浮动电荷的可极化力场ABEEM/MM。此外，他们还发展了更精细的ABEEMσπ可极化力场模型。目前此力场的MD研究与Tinker程序嫁接。
4. 增强构象抽样方法 ● 北京大学的高毅勤、杨立江等开发了温度积分抽样(integrated tempering sampling, ITS)方法，及其扩展选择性温度积分抽样(SITS)方法。ITS/SITS方法不需要预先定义反应坐标，有效地提高了抽样方法在复杂体系中的适用性，可用来快速扫描复杂体系的构象空间和计算多维自由能面，被用来研究从化学反应到蛋白质折叠的各种问题。