综述:生物分子力场的持续演进

【字体: 时间:2025年06月18日 来源:Structure 4.4

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  (编辑推荐)这篇综述系统梳理了生物分子力场(Force Fields)的发展脉络,涵盖经典加和模型(additive)、极化力场(polarizable)、粗粒化模型(coarse-grained)及机器学习势能(MLPs)的突破性进展,揭示了深度学习等计算技术如何推动力场参数化革新,为生物医学模拟提供更精准的工具。

  

Summary

生物分子力场的迭代始终围绕提升模拟精度与拓展应用场景展开。传统加和模型(additive)通过优化原子电荷分配和范德华参数取得进展,而极化力场(polarizable)引入动态电荷响应机制,显著提升了膜蛋白和核酸体系的模拟可信度。粗粒化(coarse-grained)方法通过简化粒子映射,实现微秒级大分子组装过程的观测,如病毒衣壳自组装。

机器学习势能(MLPs)的革命性突破

基于神经网络的势函数(如DeePMD)可直接从量子力学数据学习能量面,在保留量子精度的同时将计算效率提升数个数量级。AlphaFold2
的侧链优化模块便整合了此类势能。不过,MLPs面临训练数据覆盖度不足的挑战,尤其在稀有构象采样方面。

跨尺度建模的挑战与机遇

极化力场与粗粒化模型的联用(如PACE力场)开创了多尺度研究新范式,但不同尺度间的参数传递仍需解决能量守恒问题。值得注意的是,石墨烯-蛋白界面模拟中发现的非经典氢键(C-H···O)现象,正是通过极化力场才得以准确捕获。

生物医学应用的未来图景

G蛋白偶联受体(GPCRs)的变构调节机制研究受益于新型力场,而COVID-19刺突蛋白的动态构象预测则验证了MLPs的实用价值。下一步发展需聚焦:① 开发统一的可转移参数集;② 建立自动化力场评估基准;③ 探索力场指导药物设计的闭环工作流。

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