基于CHARMM力场的蛋白质分子场计算及触觉感知

分子场是研究分子结构与功能的重要工具之一,已经成为药物设计和分子对接的常规方法.由于触觉设备能提供丰富的感官信息,近年来触觉交互正逐渐成为该领域的研究热点.文中研究了蛋白质分子场的触觉感知.首先从蛋白质分子结构出发,基于CHARMM力场,经过分子动力学模拟采样计算得到蛋白质分子场;然后结合触觉设备建立触觉感知模型,通过视觉与触觉相结合的方式分析分子场能量分布以丰富分子场的感知信息;最后绘制触觉场景并给用户提供相关的视觉和触觉反馈.实验结果表明,文中提出的分子场计算方法鲁棒,且触觉系统能保持较好的稳定性.     

生物大分子可视化技术综述

生物大分子,如蛋白质、核酸,影响着生命体的微观行为,直接决定了物种的生命功能.生物大分子可视化技术,对分子生物学和生物化学领域具有重要的研究意义,是计算机辅助药物设计的重要研究方向.文中对近年来生物大分子可视化进行深入的分析.首先从分子结构的空间形态定义出发,概述分子骨架、表面、空腔3种基本空间形态的概念和可视化方法;然后论述近年来大规模生物分子场景可视化技术,包括分子组装、多细节层次和GPU加速;再阐述动态分子可视分析技术,包括分子轨迹和空腔可视分析,进而介绍面向虚拟现实的生物分子可视化交互技术;最后,总结生物大分子可视化研究面临的挑战,并对其未来发展趋势进行展望.     

分子对接技术在色谱配基筛选中的应用与优化

分子对接技术是药物虚拟筛选的重要手段,将它应用到固定化配基与蛋白质相互作用的研究中需要改进.以目标蛋白质整体为研究对象,采用不同大小的滚球分子计算生成不同的蛋白质表面,分析在不同表面上的对接结果与配基吸附容量间的相关性.结果表明固定化配基与蛋白质相互作用主要发生在蛋白质表面上,并在以滚球分子半径5.0 A计算生成的蛋白质表面上的对接结果更能反映固定化配基与蛋白质的真实作用.     

Thomson问题的数值解及应用计算化学

提出一种能精确而有效的计算方法,用于计算分子各种表面积如容剂可及性表面积、范德华表面积和体积,对计算蛋白质溶剂化能、表征分子形状、计算药物分子在蛋白质分子表面的对接及预测有机小分子生物活性均有重要意义.本文针对n个单位点电荷在单位球面上均匀分布问题-Thomson问题,采用Metropolis Monte Carlo模拟退火方法数值求解,得到了与其它方法一致的结果,并用于小分子和大分子的容剂可及性表面积及范德华表面积和体积的快速计算,提出采用高时斯定理计算分子体积的新方法,结果很好.     

球谐函数在蛋白质分子匹配和对接中的应用

本文将球谐函数应用在分子表面模拟上，以解决生物大分子（蛋白质）与生物大分子（蛋白质）之间的对接（dock)，为药物分子设计的研究奠定理论基础。     

基于量子化学的蛋白质分子场计算

蛋白质结构与功能之间的关系非常密切,蛋白质分子体系中的各种相互作用力在空间叠加形成一个综合性作用(分子场),对揭示蛋白质结构与功能之间的内在关系具有重要意义.提出了基于线性标度量子化学理论的蛋白质分子场快速计算方法,利用分而治之的思想,根据氨基酸残基把一个蛋白质大分子分解成若干片段,然后对每个片段单独计算,最后对各片段的重要区域在空间网格点上进行拼接,获得完整的三维分子场数据;为了提高计算速度,还提出了基于MPICH模型的并行计算方法.实验结果证明,文中方法能实现复杂蛋白质分子的分子场的高效、高精度计算.     

球谐函数在蛋白质分子匹配和对接中的应用

本文将球谐函数应用在分子表面模拟上,以解决生物大分子(蛋白质)与生物大分子(蛋白质)之间的对接(dock),为药物分子设计的研究奠定理论基础。     

面向多肽的分子对接算法性能对比研究

蛋白质-多肽间相互作用是计算生物学中的热门方向,对其结合的精确预测对于了解体内复杂的信号通路以及蛋白质功能,及进一步进行药物设计有着至关重要的作用。蛋白质-多肽对接方法能够有效地模拟蛋白质-多肽间相互作用,其对接性能直接决定模拟实验的准确性和成功与否。针对当前主要的蛋白质-多肽对接方法,综合测试了其算法性能;同时将本实验室开发的基于全信息粒子群算法的分子对接工具FIPSDock（Fully-Informed-Particle-Swarm-Dock）延伸到蛋白质-多肽对接领域,并评估其性能。利用标准蛋白质-多肽对接数据集（peptiDB）的21个测试例及13个定制测试例进行性能测试,主要对比分析了各算法的成功率和对接精度。结果表明FIPSDock可用于蛋白质-多肽对接,并相对于其他对接算法展示出优异的性能。     

蛋白质-配体分子对接中构象搜索方法

分子对接是研究蛋白质-配体分子间相互作用与识别的有效方法。分子间的相互作用过程中形成的近天然构象是结合自由能极低的构象,快速且准确搜索能量极低的构象对于蛋白质-配体分子对接至关重要。本文回顾了蛋白质-配体分子对接中主要的构象搜索算法,包括快速穷举搜索、启发式搜索和其他搜索方法,并列举了采用不同搜索算法的代表性分子对接软件。其次,介绍了蛋白质-配体分子对接的国际评估实验、常用的测试标准库和评价的重要指标。最后,分析并指出了当前蛋白质-配体对接构象搜索方法所存在的主要问题,并对未来的工作进行了展望。     

基于Level Set曲面的蛋白质分子场特征分析

阐述了利用Level Set模型抽取并分析蛋白质分子场特征方面的工作.从蛋白质分子结构出发,基于分子力学和分子动力学理论计算得到蕴含丰富生化信息的分子场数据;设计了一种有效的Level Set模型揭示分子场能量突变区域;进而构造体特征函数,抽取并分析Level Set曲面的拓扑结构特征;最后对同一蛋白质不同状态下的LevelSet曲面进行多属性比对.采用文中方法可成功地抽取蛋白质分子场的重要特征,所抽取的特征与已有生物学结论一致,如DPS蛋白质与铁离子结合的空腔区域、HIV-1蛋白酶内部的水分子排出通道,以及HIV-1蛋白酶在水溶液中进行SMD模拟时的生物活性变化等.     

Qmol: a program for molecular visualization on Windows-based PCs

With the advent of powerful, inexpensive graphics hardware, a variety of molecular modelling tools are now available for personal computers (PCs). While a host of high-quality, free visualization programs exist for Unix-like operating systems, there are relatively few available for Microsoft Windows. Most programs that do run under Windows are designed to interactively visualize experimental data and cannot read binary trajectory data generated by molecular simulations. In addition, many of these programs do not accept command line arguments, limiting their ability to serve as a “helper” application to be run by other applications. To fill this gap in functionality, we present Qmol—a program designed for viewing the output of simulations and theoretical calculations of peptides and small molecules.     

从常温到超临界条件下水的分子动力学模拟

采用MD模拟方法研究了从常温到超临界条件下不同状态水的微观结构、氢键结构及氢键松弛的动态性质。模拟结果表明,随着温度的升高,成键分子中O…O间的平均距离基本保持不变,O…H间距离增加,水分子的氢键作用逐渐减弱,形成氢键的两水分子O…O一H取向角的分布呈线型分布的概率降低;同一温度下密度的变化对O-O、O-H径向分布函数和氢键的键角分布的影响不大。由于温度升高使氢原子热运动增强,水的四面体结构缺陷增加,氢键的平均寿命显著缩短,温度是影响氢键平均寿命的主要因素。     

受限于平行硅板中水的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同间距(16.6,13.6,和11.8 A)两硅平板之间水分子的结构性质,模拟结果显示:受限水呈现出与体态水完全不同的结构性质,即水分子的分布依赖于两板间距.间距为16.6 A时,硅壁的吸引力造成了其附近形成两个明显的水层,其中的水分子的O-H平行于壁面形成氢键.随着间距的减小,第二层水分子中的O-H键由平行于壁面转向垂直于壁面,与临近的水层通过氢键相连.此外,模拟结果表明,在不同上下板间距情况下,被壁面吸引所形成的水层中水分子的结构取向基本没有变化.     

自组装二十烷二羰基二-L-谷氨酸纳米管的分子模拟

为了洞察自组装二十烷二羰基二-L-谷氨酸(Eicosanedioyl—di—L—glutamic acid)EDGA球形螺旋纳米管微观结构，我们在大型计算机工作站SGI3800上，利用CERIUS2分子模拟软件，进行了计算机分子模拟。首先，根据EDGA分子在纳米管壁中的受力情况，确定了相当于二维周期边界条件的三维周期边界模型，由分子动力学构象搜索法寻找低能量的分子构象，进而运用分子力学、分子动力学交替进行的退火算法对EDGA单层膜聚集体进行模拟计算；结果得到分子两端基谷氨酸的构象不同的最低能量的分子构象，和螺旋与弯曲两种趋势同时存在的EDGA单层膜聚集体。模拟结果可以合理地描述自组装二十烷二羰基二-L-谷氨酸球形螺旋纳米管的一些结构特征。     

非降解型高聚物分子量分布模拟的一般对数正态型

文章提出了对数正态分布一般型来模拟非降解型高聚物分子量分布。给出分子量各阶矩的计算式及实验估值式。据此可用GPC实验法测定的数均分子量及重均分子量来计算分子量各阶矩及各阶平均分子量的模拟值。最后证明所有对数正态分布都是完全相同的分布,因而证明了Wesslau分布和Koningsveld分布是完全一样的分子量分布。实验证实了上述结论。     

氯霉素分子印迹聚合物预组装过程的分子动力学研究

以氯霉素(CAP)为模板分子,甲基丙烯酸(MAA)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为功能单体,采用分子动力学方法研究了不同预组装体系中CAP与功能单体的相互作用,考察了溶剂(氯仿、甲醇、乙腈)对预组装体系的影响,并采用试验方法验证模拟结果,最后研究了预组装体系中CAP与功能单体相互作用距离。结果表明:模拟结果与实验结果一致,在甲醇溶剂中,CAP与功能单体相互作用强弱顺序为MAA>AA>AM>MMA;乙腈溶剂中顺序为AM>MAA>AA>MMA。CAP与功能单体相互作用基团的距离在1.8~5.0,两者间可能存在较强的非共价结合作用。     

分子计算理论方法及在化工计算中的应用

论述了量子力学中从头计算、半经验和密度泛函方法及分子力学的基础理论，概述了常用的MD、MC分子模拟方法，总结了多种应用软件的主要功能，并结合实例对HyperChem．7软件的功能进行了具体的说明。     

基于元素和化学键的快速计算分子体积和表面积的方法

为了快速准确的计算分子的体积和表面积参数,将构成分子的元素和化学键作为贡献单元,基于分子的体积和表面积由相应的元素和化学键的体积和表面积加和得到的思想,提出了估算化合物分子体积和表面积的元素和化学键贡献法。元素视作球体,其体积和表面积由van der Waals半径计算得到,在1412种有机物分子体积和表面积数据的基础上,回归得到化学键对分子体积和表面积的贡献值。结果表明,元素和化学键贡献法计算的分子体积和表面积的平均相对误差分别为2.02%、2.84%,不同化合物类型的平均相对误差均小于5%。与其它分子体积和表面积方法相比较,本方法更简单、快速、准确,应用范围更广。     

Molecular computing paradigm – toward freedom from Turing's charm

This article gives a concise but intensive survey on one of the subfieldsof natural computing – Molecular Computing. Starting with making a brief revisit to Adleman's pioneering work, this paper will give an overviewof selected topics of the field from theory to experiments, while the stressis primarily put on research of theoretical achievements of molecular computing models.