2013年诺贝尔化学奖:电脑里的实验室 | 科技环境 | DW | 09.10.2013
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科技环境

2013年诺贝尔化学奖:电脑里的实验室

本年度诺贝尔化学奖颁给了三名科学家,他们成功地把化学实验室“搬到”了电脑里。相关计算模型能够帮助人们研发药物,比如治疗艾滋病的药品。

(德国之声中文网)如今,研发新药品的化学家们都不一定非要穿着实验室的白大褂,带着防护眼镜了:许多实验都在写字台上进行。电脑模型能够模拟两种或更多分子之间的化学反应,可以预测出那些成分会有怎样的效用。

周三(10月9日),对这种电脑计算模型进行研发和优化工作的三位科学家获得了本年度的诺贝尔化学奖。他们是哈佛大学的马丁·卡普拉斯(Martin Karplus),斯坦福大学的迈克尔·莱维特(Michael Levitt)和南加州大学的亚利耶·瓦谢尔(Arieh Warshel)。

"我很兴奋",德国萨尔布吕肯马克斯-普朗克信息技术研究院的兰高尔(Thomas Lengauer)表示。他致力于生物信息技术的研究工作,并且认识莱维特本人。"他拥有一名最佳科学家的品质:好奇心、不懈追求真相和谦虚谨慎最好的科学家把科研题目置于中心位置,而不是他自己,莱维特就是这样一个人。"

生命即化学

电脑模型对于今日的科学研究而言是"绝对不可或缺的",兰高尔表示,"生命体系是一部化学机器:我们所作的一一切,我们如何运动,之所以能够思考、观察和感觉,都能归因为化学反应。"

Chemielaborantin Andrea Kotnig arbeitet am Donnerstag (23.04.2009) in der Bayerischen Landesanstalt für Umwelt in Augsburg (Schwaben) ein einer Verdampfungseinheit, mit der Lösungsmittel von Schadstoffgemischen abdestiliert werden können. Im Labor für organische Schadstoffe werden Schadstoffe auf ihren Schadstoffgehalt untersucht, wie sie auch in Gebäuden und Wohnungen vorkommen. Am 24./25. April 2009 findet in Augsburg die Kongressfachmesse DCONex statt, die sich mit dem Thema Schadstoff-Managment in Gebäuden befasst. Foto: Karl-Josef Hildenbrand dpa/lby +++(c) dpa - Bildfunk+++

实验室工作比电脑模拟的花费高很多

能够模拟这样的反应,就可以先在电脑试验许多高效物质分子,从中选出那些最具有潜力的才投入实际制作。在实验室里进行类似工作不但耗时很长,而且比电脑模拟的花费大得多。"我们知道类似反应进行的规律,并可以在电脑里进行模仿。"不过,这并不意味着电脑模拟能够完全代替实验室工作,只是能让后者更具有针对性。

科学家们还能够利用电脑对现有药物进行改良。比如,他们可以观察,如何改变一个分子,才能让它与蛋白结合的非常良好。"或者可以检查,药物在身体里会发生哪些变化,"柏林楚泽研究所(Zuse-Institut)学者韦伯(Marcus Weber)表示,"比如说,如果我想知道,一种镇痛剂如何在肝脏里分解,我就会采用这三位诺贝尔化学奖得主所首创的方法。"

现今的电脑模型非常完善,模拟精确度与现实情况已经高度接近。诺贝尔奖委员会正是为此决定将本年度奖项授予这三名学者。

模拟研发防治艾滋病的药物

有一个很突出的例子能够说明电脑模拟的意义所在,那就是研发阻止HIV病毒在人体内繁殖的药物-蛋白酶抑制剂。

Aids Medical HIV virus

电脑模拟对于研制防治艾滋病药物也能起到帮助

这种药物会与蛋白酶进行结合,而病毒需要蛋白酶来进行繁殖。但是,病毒会通过突变把蛋白变成遗传物质的方式,巧妙地"躲开"药物的攻击。

"但是,为什么蛋白变异会产生这样的结果呢?这是人们根本无法通过实验进行研究的事情",兰高尔表示。这就需要电脑模拟的帮助。

静若处子 动如脱兔

电脑模型也能计算材料的强度,模拟职务的光合作用或者向化学家提出在实验室里净化产品的最佳手段。在研制植物保护制剂的过程中,电脑模拟也在工业应用里扮演重要角色。

能够计算一种有效物质如何与受体结合的电脑模型早已问世。本次诺贝尔化学奖得主们的突出贡献在于,让化学反应,也就是分子变化的过程,也能通过计算进行模拟。

这是一项非常困难的工作,因为化学反应发生速度非常之快,韦伯表示:"这是以'飞秒'计算的时间,也就是千万亿分之一秒。"与此同时,有些过程的发生速度却比化学反应要慢得多,比如两个蛋白质间的互相接近。"这样的时间阶差是令人十分兴奋的",韦伯表示,"即使是诺贝尔奖得主也会为此心动。"

人们凭借电脑可以观察极其迅速的反应过程,而用肉眼是绝对做不到的,兰高尔表示。"我们利用电脑模拟作为'时间放大镜',借此了解人体、植物或化学系统内重要的分子过程。"

作者:Brigitte Osterath 编译:石涛

责编:万方

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