2002007化學信息學計算機化學學科發(fā)展報告

1、17020062007化學信息學(計算機化學)學科發(fā)展報告隨著化學信息的大量積累及計算機與網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，“化學信息學”已成為化學學科的重要分支之一。盡管尚缺乏被廣泛接受的嚴格定義，但其精髓可描述為“從數(shù)據(jù)到信息然后到知識”的說法已得到普遍認可，其具體研究內(nèi)容包括：計算化學、分子模擬與設計、化學計量學、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)及Inter的利用[1612]。(一)化學信息學在社會與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中的地位與重要性門捷列夫可被認為是最早的化學

2、信息學家，他通過對化學元素結(jié)構與性質(zhì)的總結(jié)建立了化學元素周期表。近年來，化學信息學在功能材料與分子設計、產(chǎn)品質(zhì)量評價與控制、環(huán)境檢測與控制、生命與健康、疾病診斷、各類“組學”的數(shù)據(jù)挖掘、復雜體系分析、智能分析儀器及新產(chǎn)品開發(fā)等研究領域中均發(fā)揮了重要作用，為社會與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展奠定了理論與技術基礎[1634]。例如，虛擬篩選(VHTS)和定量構效關系(QSAR)等化學信息學技術的引入不僅明顯縮短了新藥研發(fā)周期而且大幅度降低了開發(fā)成本；“

3、指紋圖譜”的提出與應用為中草藥的質(zhì)量評價與控制提供了關鍵技術。(二)近兩年化學信息學的研究進展化學信息學在理論化學、分子模擬與設計、化學計量學、數(shù)據(jù)挖掘以及Inter資源的利用等方面均取得了重要進展[165]。分子模擬研究為藥物分子的篩選建立了快速的虛擬高通量篩選(VHTS)方法[166]、為藥物的全新設計(denovodesign)提供了研究方法和手段[167]、為蛋白質(zhì)配體之間的相互作用研究建立了新的計算方法[168]、為小分子化合

4、物的ADMETox及其它理化性質(zhì)發(fā)展了理論預測方法[169]。理論化學計算與實驗科學相互結(jié)合用于合成化學和材料設計，實驗結(jié)果與計算結(jié)果得到了相互印證和補充[161011]。分子動力學、MonteCarlo模擬在化學、生物、材料等領域得到應用[161213]?；诜肿恿W的優(yōu)化方法被廣泛關注，新的優(yōu)化算法不斷涌現(xiàn)[1614]。為了擴展微觀的分子力學與分子動力學方法的時空尺度，“粗粒化”力場的方法被重視和發(fā)展，多尺度的模擬方法被關注[161

5、5]。化學計量學在新方法和應用研究方面均取得了豐碩成果[1616]，小波變換[1617]等方法為分析化學信號處理帶來了新的手段，高維數(shù)據(jù)的解析方法為現(xiàn)代聯(lián)用儀器的數(shù)據(jù)處理提供了理論和技術基礎[161819]，多元校正為復雜體系的分析提供了實用技術[1620]，指紋圖譜為中草藥等產(chǎn)品的質(zhì)量評價與控制提供了有效手段[1621]。計算系統(tǒng)生物學(ComputationalSystemsBiology)[1622]是近幾年發(fā)展起來的新的研究課題

6、，組學數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PRISM)[1623]以及基于Matlab的系統(tǒng)生物學定標語言(SBML)[1624]已被報道。作為新的計算技術，量子計算和DNA計算在近幾年也取得重要進展。面向化學領域網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和計算資源共享工具的研究發(fā)展迅速，化學資源搜索引擎、數(shù)據(jù)集成及數(shù)據(jù)共享相關標準、數(shù)據(jù)與計算集成等得到了廣泛關注[1625]。(三)我國化學信息學研究的地位與近期研究進展172被用于基因或蛋白質(zhì)序列分析，得到了良好的結(jié)果，采用Delaunay

7、三角算法、主成分分析方法等進行蛋白質(zhì)的結(jié)構預測也進行了嘗試[163839]。我國的化學計量學方法與應用研究處于國際前沿水平，近年來在高維數(shù)據(jù)的解析方面取得了突出成績。提出了基于PSO(粒子群優(yōu)化)的樣品加權和波長加權PLS回歸方法[1640]，顯著改善了模型的準確性和預測能力。針對三維數(shù)據(jù)解析中存在的問題，發(fā)展了交替三線性分解(ATLD)算法，提出了交替懲罰三線性分解(APTLD)、交替不對稱三線性分解(AATLD)、交替擬合殘差(AF

8、R)等交替迭代算法以及三線性漸進因子分析法、頂點矢量順序投影法等非迭代算法[164142]，為三維數(shù)據(jù)分析算法在化學中的應用注入了新的生機，實現(xiàn)了在現(xiàn)代分析化學中實際復雜體系的直接快速定量分析。此外，針對化學數(shù)據(jù)的特點，非負矩陣分解和投影圖旋轉(zhuǎn)法也得到了發(fā)展與應用，拓展了黑色體系分析的理論和方法[1643]。小波變換是新興的化學計量學方法，我國學者對其在化學領域中的應用研究方面做出了突出成績，在Acc.Chem.Res.上發(fā)表了綜述論文

9、[1644]，出版了《Chemometrics:frombasicstowavelettransfm》專著[1617]。近兩年小波變換在分析信號的數(shù)據(jù)壓縮、背景扣除與重疊信號分辨等方面的工作仍在繼續(xù)[1645]，小波變換用于化學振蕩信號分析，也得到了滿意的結(jié)果[1646]。多元校正是化學計量學的特色研究內(nèi)容，為復雜體系的分析提供了有效工具。在多元校正的建模方法研究中，支持向量機(SVM)、局部建模及多模型建模等一系列新的建模方法被成功用

10、于NIR光譜分析[164748]。獨立成分分析等新技術化學計量學方法與NIR技術結(jié)合對中藥產(chǎn)品進行質(zhì)量鑒定與控制得到了系統(tǒng)研究[164950]。中藥指紋圖譜是目前國際公認的控制中藥或天然藥物質(zhì)量的最有效手段。我國學者開展了復雜體系解析的化學計量學方法與指紋圖譜分析技術相結(jié)合的基礎研究，同時也進行了在中藥、香精香料、代謝組學等領域的應用研究，為復雜體系的定性定量分析、中藥等復雜體系的質(zhì)量控制及在代謝組學中的應用提供了新思路和新方法[165

11、1]。在計算化學和分子模擬(包括量化計算、分子動力學、MonteCarlo模擬、分子力學等)研究方面，我國學者越來越注重實際體系的計算與模擬[1652~54]。分子動力學在生物大分子結(jié)構功能動態(tài)大規(guī)模模擬中的應用研究處于世界先進水平[1655]?；跀?shù)據(jù)庫遺傳算法的靶標集中組合庫構建方法發(fā)展及其在新藥發(fā)現(xiàn)中的應用結(jié)果得到了國內(nèi)外同行的高度關注[1656]。建立了快速退火演化算法(FAEA)、自適應免疫優(yōu)化算法(AIOA)、動態(tài)格點搜索(

12、DLS)算法以及基于建模的優(yōu)化算法等一系列新算法并在團簇的結(jié)構優(yōu)化和主客體系的模擬中得到應用[165758]。此外，在用分子模擬方法揭示高分子鏈的纏結(jié)現(xiàn)象對聚合物結(jié)晶過程的影響，以及運用耗散粒子動力學方法探察材料表面拓撲結(jié)構圖案對表面疏水性的影響等研究中取得了一些新的進展[165960]。化學信息的組織、管理與應用是化學信息學的核心研究內(nèi)容之一，我國在化學數(shù)據(jù)庫的研制和軟件開發(fā)方面開展了大量工作，并逐步形成具有知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，其中中國科