2002007化學(xué)信息學(xué)計算機化學(xué)學(xué)科發(fā)展報告

1、17020062007化學(xué)信息學(xué)(計算機化學(xué))學(xué)科發(fā)展報告隨著化學(xué)信息的大量積累及計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，“化學(xué)信息學(xué)”已成為化學(xué)學(xué)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(xué)、分子模擬與設(shè)計、化學(xué)計量學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)及Inter的利用[1612]。(一)化學(xué)信息學(xué)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(xué)

2、信息學(xué)家，他通過對化學(xué)元素結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的總結(jié)建立了化學(xué)元素周期表。近年來，化學(xué)信息學(xué)在功能材料與分子設(shè)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(xué)”的數(shù)據(jù)挖掘、復(fù)雜體系分析、智能分析儀器及新產(chǎn)品開發(fā)等研究領(lǐng)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(shù)基礎(chǔ)[1634]。例如，虛擬篩選(VHTS)和定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)等化學(xué)信息學(xué)技術(shù)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(yīng)用為中草藥的質(zhì)量評價與控制提供了關(guān)鍵技術(shù)。(二)近兩年化學(xué)信息學(xué)的研究進展化學(xué)信息學(xué)在理論化學(xué)、分子模擬與設(shè)計、化學(xué)計量學(xué)、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(shè)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(yù)測方法[169]。理論化學(xué)計算與實驗科學(xué)相互結(jié)合用于合成化學(xué)和材料設(shè)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(xué)、MonteCarlo模擬在化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域得到應(yīng)用[161213]?；诜肿恿W(xué)的優(yōu)化方法被廣泛關(guān)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(xué)與分子動力學(xué)方法的時空尺度，“粗?；绷龅姆椒ū恢匾暫桶l(fā)展，多尺度的模擬方法被關(guān)注[161

5、5]?；瘜W(xué)計量學(xué)在新方法和應(yīng)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(xué)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(shù)基礎(chǔ)[161819]，多元校正為復(fù)雜體系的分析提供了實用技術(shù)[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(xué)(ComputationalSystemsBiology)[1622]是近幾年發(fā)展起來的新的研究課題

6、，組學(xué)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PRISM)[1623]以及基于Matlab的系統(tǒng)生物學(xué)定標語言(SBML)[1624]已被報道。作為新的計算技術(shù)，量子計算和DNA計算在近幾年也取得重要進展。面向化學(xué)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和計算資源共享工具的研究發(fā)展迅速，化學(xué)資源搜索引擎、數(shù)據(jù)集成及數(shù)據(jù)共享相關(guān)標準、數(shù)據(jù)與計算集成等得到了廣泛關(guān)注[1625]。(三)我國化學(xué)信息學(xué)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(gòu)預(yù)測也進行了嘗試[163839]。我國的化學(xué)計量學(xué)方法與應(yīng)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(quán)和波長加權(quán)PLS回歸方法[1640]，顯著改善了模型的準確性和預(yù)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(xué)中的應(yīng)用注入了新的生機，實現(xiàn)了在現(xiàn)代分析化學(xué)中實際復(fù)雜體系的直接快速定量分析。此外，針對化學(xué)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(yīng)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(xué)計量學(xué)方法，我國學(xué)者對其在化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)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(xué)振蕩信號分析，也得到了滿意的結(jié)果[1646]。多元校正是化學(xué)計量學(xué)的特色研究內(nèi)容，為復(fù)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(shù)化學(xué)計量學(xué)方法與NIR技術(shù)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(xué)者開展了復(fù)雜體系解析的化學(xué)計量學(xué)方法與指紋圖譜分析技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)研究，同時也進行了在中藥、香精香料、代謝組學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，為復(fù)雜體系的定性定量分析、中藥等復(fù)雜體系的質(zhì)量控制及在代謝組學(xué)中的應(yīng)用提供了新思路和新方法[165

11、1]。在計算化學(xué)和分子模擬(包括量化計算、分子動力學(xué)、MonteCarlo模擬、分子力學(xué)等)研究方面，我國學(xué)者越來越注重實際體系的計算與模擬[1652~54]。分子動力學(xué)在生物大分子結(jié)構(gòu)功能動態(tài)大規(guī)模模擬中的應(yīng)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(gòu)建方法發(fā)展及其在新藥發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用結(jié)果得到了國內(nèi)外同行的高度關(guān)注[1656]。建立了快速退火演化算法(FAEA)、自適應(yīng)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(gòu)優(yōu)化和主客體系的模擬中得到應(yīng)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(xué)方法探察材料表面拓撲結(jié)構(gòu)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]?；瘜W(xué)信息的組織、管理與應(yīng)用是化學(xué)信息學(xué)的核心研究內(nèi)容之一，我國在化學(xué)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(quán)的產(chǎn)品，其中中國科