虛擬技術與化學研究

姚建華 李佳 黃迎 徐雯麗 蔣舒仰 胡靜

中科院上海有機化學研究所 （上海 200032）

綜述

虛擬技術與化學研究

姚建華 李佳 黃迎 徐雯麗 蔣舒仰 胡靜

中科院上海有機化學研究所 （上海 200032）

介紹了虛擬技術和化學信息等概念、內容以及兩者的關系。提出了化學研究的現代模式的理念。列舉兩種模式的分子設計流程，顯示虛擬技術在化學研究中的重要作用。實踐證明，應用虛擬技術可以在一定程度上提高化學研究效率，降低研究過程中產生的污染。

虛擬技術 化學信息學 化學研究

0 前言

隨著計算機科學和網絡技術的發展，計算機在科研、生產、服務等領域都得到深入廣泛的應用，虛擬技術亦隨之發展并在科技、商業、醫療、飛機／汽車制造、駕駛培訓、娛樂等多個領域得到實際應用。如美國波音747的研制就是應用虛擬技術的一個典型例子。化學信息學是應用于化學研究的虛擬技術之一。

化學是研究物質的組成、結構、性質和變化規律的科學[1]，其研究內容主要可歸納為三部分，即分子設計、合成設計和結構確定。化學研究的傳統模式包括靈感、經驗和實驗。

本文將提出并介紹化學研究的現代模式——靈感、經驗、虛擬技術和實驗的組合。

1 虛擬技術

虛擬技術是使相關工作在計算機上實現或通過計算機模擬實現的技術[1]，早在20世紀70年代便開始將其應用于宇航員培訓。由于這是一種消耗低、安全有效的培訓方法，現今已被推廣到各行各業的培訓中，并已在科研、教育、商業、醫療、生物制藥、環境保護、農業生產、娛樂等多個領域得到廣泛應用。在此，只簡單介紹它們在教育、生物制藥和醫療領域的應用狀況。

1.1 教育領域

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

1.2 生物制藥領域

虛擬技術在生物制藥方面的應用主要是在藥物的設計階段：采用相關的分子設計軟件，設計藥物小分子，模擬小分子與受體的相互作用，預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。目前，這種藥物設計模式已被國際專業制藥公司在研發新藥時采用，并與實驗相結合，以達到減少研發消耗，提高研發成功率的目標。

1.3 醫療領域

虛擬技術在醫療領域的應用主要有：手術培訓、手術模擬、醫學影像檢查和臨床診斷。已經報道的“上海交通大學附屬第九人民醫院骨科專家成功完成真正意義上的3D打印骨盆重建手術”，是虛擬技術在醫療領域成功應用的又一案例。

2 化學信息學

化學信息學的研究領域并未經過刻意界定，很多化學家在各自不同的研究領域中力爭發展和采用計算機的方法來處理大量涌現的化學信息，建立化合物的結構與性質的關系。在20世紀60年代，化學信息學的發展已初見端倪，到了70年代開始出現了颶風式的發展。因此，相關的化學信息學的定義有多種。比較典型的有以下一些論述。

（1）采用分子模擬和數據分析技術與高分辨圖形顯示組合，得到了令人驚訝的結果。因此，化學信息學是通過應用信息技術幫助化學家研究新問題、組織并分析科學數據，以研發新化合物、新材料的過程[2]。

（2）很多人認為化學信息學是化學信息的擴展，它涵蓋了與化學結構、數據存儲和計算方法相關的領域，如化合物登記系統、在線化學文獻、結構-活性關系分析和分子性質計算[3]。

化學信息學作為一個學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有了一段時間。不同的階段常會給出不同的化學信息學的定義。所以，在討論這些不同觀點的時候，我們認為“化學信息學是一門應用信息學方法和計算機技術來輔助解決化學問題的學科”[4]這個論述更具有普適性。

化學信息學方法主要有三種，即基于數據、基于邏輯和基于原理。

（1）基于數據的方法建立和利用多種化學數據庫管理系統和化學數據庫中的數據。該方法主要的作用是在數據庫中獲得已記錄的相關信息。

（2）基于邏輯的方法利用已有的化學數據庫中的數據，并在此基礎上，利用歸納、推理和分類等方法將數據轉化為知識，并對知識實施有效的管理，以便于知識得到廣泛的應用。最終，能用于解決實際的化學問題。該方法適用于大量數據的處理，對象具有比較強的規律性。同時，它能解決數據庫系統不能解決的問題。

（3）基于原理的方法利用已有的量子化學的理論，對化學對象作相關的量化計算，并根據計算結果，研究對應的化學問題。該方法能從原理上解釋化學問題，但不適用于大批數據和大的體系的處理。

在化學研究中，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，采用對應的方法組合。

3 化學研究

化學是研究物質的組成、結構、性質和變化規律的科學。有機化學是研究有機化合物的來源、制備、結構、性質、用途和有關理論的一門學科，由于有機化合物都含有碳，同時以碳、氫化合物為母體，因此這門學科又可稱為“碳化合物的化學”或“碳氫化合物及其衍生物的化學”，隨著這門學科的發展，誕生出了高分子化學、元素有機化學等新學科，為合成染料、橡膠、纖維、藥物、塑料等有機化學工業建立了理論基礎。

化學的研究內容主要可歸納為三部分：分子設計、合成設計和結構確定。利用相關技術設計具有特定功能的化合物即為分子設計[5]；利用相關技術設計特定化合物的合成路線即是合成設計；結構確定包括兩部分：結構解析和譜圖模擬。結構解析是根據已有的化學譜圖，推測對應的化學結構。譜圖模擬是基于化合物的化學結構，預測其化學譜圖。

化學是重要的基礎科學之一，它也是一門建立在實驗基礎上的科學。在化學研究中實驗和理論這兩方面一直是相互依賴、彼此促進的。化學是一門古老而歷史悠久的科學，它的研究模式為靈感、經驗和實驗（見圖1）。

圖1 化學研究的傳統模式

長期實驗數據的積累，為現在和今后的化學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7600多萬個，化學反應約5 580萬個。要有效應用如此大量的研究和實驗數據，只有采用信息技術才能實現。在此，我們提出了化學研究的現代模式，即在化學研究的傳統模式中融入虛擬技術（見圖2）。

分子設計是化學研究的內容之一。傳統模式的分子設計流程如圖3所示，某種化合物的性質，通常是在得到化合物之后，經過實驗測試才可獲得對應的性質。現代模式的分子設計流程如圖4所示，化合物的性質，可以用相關軟件預測獲得。根據獲得的預測結果和經驗，決定是否要合成該化合物。

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

圖2 化學研究的現代模式

圖3 傳統模式的分子設計流程

4 結論

圖4 現代模式的分子設計流程

本文簡單介紹了虛擬技術和化學信息學概念、內容及兩者的關系，化學信息學是用于化學研究的虛擬技術之一。提出了化學研究的現代模式的理念，即靈感、經驗、虛擬技術和實驗的組合，它是傳統模式的發展。文中列舉的兩種模式的分子設計流程顯示了虛擬技術在化學研究中的重要作用，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）、國家自然科學基金項目（21072216）

姚建華女1963年生研究員獲法國巴黎第七大學博士學位目前主要從事化學信息學及其應用工作