虚拟技术与化学研究

姚建华 李佳 黄迎 徐雯丽 蒋舒仰 胡静

中科院上海有机化学研究所 （上海 200032）

综述

虚拟技术与化学研究

姚建华 李佳 黄迎 徐雯丽 蒋舒仰 胡静

中科院上海有机化学研究所 （上海 200032）

介绍了虚拟技术和化学信息等概念、内容以及两者的关系。提出了化学研究的现代模式的理念。列举两种模式的分子设计流程，显示虚拟技术在化学研究中的重要作用。实践证明，应用虚拟技术可以在一定程度上提高化学研究效率，降低研究过程中产生的污染。

虚拟技术 化学信息学 化学研究

0 前言

随着计算机科学和网络技术的发展，计算机在科研、生产、服务等领域都得到深入广泛的应用，虚拟技术亦随之发展并在科技、商业、医疗、飞机／汽车制造、驾驶培训、娱乐等多个领域得到实际应用。如美国波音747的研制就是应用虚拟技术的一个典型例子。化学信息学是应用于化学研究的虚拟技术之一。

化学是研究物质的组成、结构、性质和变化规律的科学[1]，其研究内容主要可归纳为三部分，即分子设计、合成设计和结构确定。化学研究的传统模式包括灵感、经验和实验。

本文将提出并介绍化学研究的现代模式——灵感、经验、虚拟技术和实验的组合。

1 虚拟技术

虚拟技术是使相关工作在计算机上实现或通过计算机模拟实现的技术[1]，早在20世纪70年代便开始将其应用于宇航员培训。由于这是一种消耗低、安全有效的培训方法，现今已被推广到各行各业的培训中，并已在科研、教育、商业、医疗、生物制药、环境保护、农业生产、娱乐等多个领域得到广泛应用。在此，只简单介绍它们在教育、生物制药和医疗领域的应用状况。

1.1 教育领域

随着虚拟技术的发展和教学要求的不断提高，虚拟技术已进入教育领域，并且已成为完成教育工作的一种有效方式。例如利用化学教育软件，展示化学实验的流程和结果。学生可以通过使用该软件，了解和掌握整个实验过程，然后再进行实践操作。这样，既可以减少实验的危险性，又可以提高学生的学习兴趣和效率，减少不必要的浪费。再如利用物理教学软件，开展“欧姆定律”的讲解，其效果生动，且学生便于理解。

1.2 生物制药领域

虚拟技术在生物制药方面的应用主要是在药物的设计阶段：采用相关的分子设计软件，设计药物小分子，模拟小分子与受体的相互作用，预测小分子的生物活性、毒性、排泄、吸收、代谢途径、代谢物及其各类性质。目前，这种药物设计模式已被国际专业制药公司在研发新药时采用，并与实验相结合，以达到减少研发消耗，提高研发成功率的目标。

1.3 医疗领域

虚拟技术在医疗领域的应用主要有：手术培训、手术模拟、医学影像检查和临床诊断。已经报道的“上海交通大学附属第九人民医院骨科专家成功完成真正意义上的3D打印骨盆重建手术”，是虚拟技术在医疗领域成功应用的又一案例。

2 化学信息学

化学信息学的研究领域并未经过刻意界定，很多化学家在各自不同的研究领域中力争发展和采用计算机的方法来处理大量涌现的化学信息，建立化合物的结构与性质的关系。在20世纪60年代，化学信息学的发展已初见端倪，到了70年代开始出现了飓风式的发展。因此，相关的化学信息学的定义有多种。比较典型的有以下一些论述。

（1）采用分子模拟和数据分析技术与高分辨图形显示组合，得到了令人惊讶的结果。因此，化学信息学是通过应用信息技术帮助化学家研究新问题、组织并分析科学数据，以研发新化合物、新材料的过程[2]。

（2）很多人认为化学信息学是化学信息的扩展，它涵盖了与化学结构、数据存储和计算方法相关的领域，如化合物登记系统、在线化学文献、结构-活性关系分析和分子性质计算[3]。

化学信息学作为一个学科名称来说是很新的，但我们可以体会到，它存在于我们周围已经有了一段时间。不同的阶段常会给出不同的化学信息学的定义。所以，在讨论这些不同观点的时候，我们认为“化学信息学是一门应用信息学方法和计算机技术来辅助解决化学问题的学科”[4]这个论述更具有普适性。

化学信息学方法主要有三种，即基于数据、基于逻辑和基于原理。

（1）基于数据的方法建立和利用多种化学数据库管理系统和化学数据库中的数据。该方法主要的作用是在数据库中获得已记录的相关信息。

（2）基于逻辑的方法利用已有的化学数据库中的数据，并在此基础上，利用归纳、推理和分类等方法将数据转化为知识，并对知识实施有效的管理，以便于知识得到广泛的应用。最终，能用于解决实际的化学问题。该方法适用于大量数据的处理，对象具有比较强的规律性。同时，它能解决数据库系统不能解决的问题。

（3）基于原理的方法利用已有的量子化学的理论，对化学对象作相关的量化计算，并根据计算结果，研究对应的化学问题。该方法能从原理上解释化学问题，但不适用于大批数据和大的体系的处理。

在化学研究中，这三种方法相辅相成。对于不同的研究对象或不同的研究阶段，采用对应的方法组合。

3 化学研究

化学是研究物质的组成、结构、性质和变化规律的科学。有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、用途和有关理论的一门学科，由于有机化合物都含有碳，同时以碳、氢化合物为母体，因此这门学科又可称为“碳化合物的化学”或“碳氢化合物及其衍生物的化学”，随着这门学科的发展，诞生出了高分子化学、元素有机化学等新学科，为合成染料、橡胶、纤维、药物、塑料等有机化学工业建立了理论基础。

化学的研究内容主要可归纳为三部分：分子设计、合成设计和结构确定。利用相关技术设计具有特定功能的化合物即为分子设计[5]；利用相关技术设计特定化合物的合成路线即是合成设计；结构确定包括两部分：结构解析和谱图模拟。结构解析是根据已有的化学谱图，推测对应的化学结构。谱图模拟是基于化合物的化学结构，预测其化学谱图。

化学是重要的基础科学之一，它也是一门建立在实验基础上的科学。在化学研究中实验和理论这两方面一直是相互依赖、彼此促进的。化学是一门古老而历史悠久的科学，它的研究模式为灵感、经验和实验（见图1）。

图1 化学研究的传统模式

长期实验数据的积累，为现在和今后的化学研究提供了宝贵的财富。截至2013年12月，已有记载的小分子化合物达7600多万个，化学反应约5 580万个。要有效应用如此大量的研究和实验数据，只有采用信息技术才能实现。在此，我们提出了化学研究的现代模式，即在化学研究的传统模式中融入虚拟技术（见图2）。

分子设计是化学研究的内容之一。传统模式的分子设计流程如图3所示，某种化合物的性质，通常是在得到化合物之后，经过实验测试才可获得对应的性质。现代模式的分子设计流程如图4所示，化合物的性质，可以用相关软件预测获得。根据获得的预测结果和经验，决定是否要合成该化合物。

图3和图4中的分子设计流程显示，两者的差异主要在合成之前。传统模式在合成之前的分析工作仅以文献信息作为判断依据。而现代模式，既以文献信息作为判断依据，又以软件预测结果作为分析判断依据。从原理上讲，采用现代模式合成的化合物，其符合需求的成功率要高于传统模式，研究过程中产生污染的几率要比传统模式的低。

图2 化学研究的现代模式

图3 传统模式的分子设计流程

4 结论

图4 现代模式的分子设计流程

本文简单介绍了虚拟技术和化学信息学概念、内容及两者的关系，化学信息学是用于化学研究的虚拟技术之一。提出了化学研究的现代模式的理念，即灵感、经验、虚拟技术和实验的组合，它是传统模式的发展。文中列举的两种模式的分子设计流程显示了虚拟技术在化学研究中的重要作用，即提高研究效率、只做必要的实验、降低研究过程中产生的污染。

[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

国家973项目（2010CB126103）、国家自然科学基金项目（21072216）

姚建华女1963年生研究员获法国巴黎第七大学博士学位目前主要从事化学信息学及其应用工作