計算科學是應用先進的計算能力預言和了解實際世界復雜現象演化規律的科學，它涉及數值模擬或工程仿真以及模擬所必需的高性能計算機系統、算法和應用軟件等。10月7～9日在北京舉行的以“我國高性能計算的發展與對策”為主題的329次香山科學會議上，與會專家指出，當今科學研究和工程應用正在向大規模、高復雜度、高微觀或宏觀的領域發展，這種發展趨勢形成了對計算科學越來越強烈的需求。高性能計算已經成為藥物設計、大氣環流數值模型、數字解剖和蛋白質結構設計等各種前沿科學研究、技術開發和工程設計中必不可少的重要基石。
分子模擬和輔助藥物設計是研究熱點
與會專家指出，在新藥研發方面，能夠利用高性能計算機實現活性化合物的虛擬篩選，并從篩選的活性化合物出發進行靶點的發現與確證，以及進行生物大分子的動力學模擬來研究靶標的構象空間與作用機理。
中國科學院院士、中國科學院上海藥物研究所研究員陳凱先在題為《基于生物復雜分子體系的新藥物設計和分子模擬》的書面報告中介紹說，計算生物學是開發和應用數據分析及理論的方法、數學建模和計算機仿真技術并用于生物學研究的一門學科。計算生物學正在成為現代生物學研究的核心方法之一，它的重要性和復雜性在當前生物學數據量的不斷增長中日益得以顯示，需要回答的問題越是復雜，其重要性和復雜性就越顯得尤為突出，這也使得計算生物學成為當今生命科學最具活力的新興前沿學科之一。
陳凱先認為，分子模擬和計算機輔助藥物設計是當前計算生物學研究的熱點問題，也是計算生物學與生物醫藥產業結合最緊密的方向。目前，高性能計算在分子模擬和計算機輔助藥物設計領域主要有兩個方面的應用，一是通過計算機藥物設計和篩選方法進行藥物發現，即首先建立化合物分子的骨架庫數據庫，然后設計化合物組合數據庫或者直接使用商業數據庫，通過已經建立的計算機虛擬藥物篩選技術平臺，篩選出化合物結構進行類藥性分析和三維定量構效關系分析，獲取進一步結構優化的信息。
二是用分子動力學模擬方法進行蛋白質動態模擬。計算生物學運用大規模高效的理論模型和數值計算，直接從蛋白質序列預測蛋白質三維結構以及動力學特征，研究生物大分子結構與功能的關系、生物大分子之間相互作用以及生物大分子與配體的相互作用，促進蛋白質工程、蛋白質設計和計算機輔助藥物設計的發展。通過計算生物學研究蛋白和蛋白相互間的分子識別，包括藥物與多種蛋白結合，藥物調控靶標信號途徑的特性，可以獲得正確的藥物設計蛋白質構象，了解蛋白結構與功能的關系，從而提高新藥的研發水平。
尚缺乏行之有效的算法
物理學在20世紀已經成為鼎立在實驗、理論和計算三大支柱上的成熟的科學。進入21世紀，活物質和生命現象更是成為物理學的重要研究對象。60多年來，物理學的發展和高性能計算的進步互為依存、結伴而行。相比之下，生物學則剛剛在邁向成熟科學的道路上蹣跚起步。中國科學院院士、復旦大學理論生命科學研究中心研究員郝柏林指出，與物理學最大的不同是，在計算生物學和生物信息學領域實際上還沒有久經考驗的、行之有效的算法。
生物學正在成為人類科學活動中產生數據量最多的領域。僅以國際DNA數據庫GenBank為例，在2008年8月15日發布的第167版中，共有來自30多萬種生物體的9200多萬條核酸分子序列，其字母總數超過950億個。在這些數據中，正在與日俱增的是所謂完全基因組，即某一生物體賴以生存的全部密碼。截至2008年9月19日，全球共有超過4000個基因組測序計劃，其中只有約1／5的項目已經發表；而新項目的啟動頻度遠大于完成發表速度，但這些只是隱藏著大量未知事實和規律的原始素材。
郝柏林說，目前廣為使用的BLAST類型的數據庫搜索、GENSCAN類型的尋找基因程序都是基于統計方法的不得己而為之手段。而基于統計的各種預測都還過不了“70％的坎兒”，真正有生物學意義的計算，都不是向功能足夠強大的計算機系統提交作業就能解決問題的，必須創建面向生物學某些特定方向的高性能計算環境。
陳凱先等建議，應加強新的應用程序并行算法，新的硬件開發和應用研究，提高應用程序在集群計算機上的并行效率，大力開發自主知識產權的軟件，特別是在藥物設計的高性能計算方面應用軟件的新算法和新技術，整合現有軟硬件資源。據介紹，目前，中國科學院上海藥物研究所率先在國內應用超級計算機開展生命科學和藥物設計研究，發展了復雜生物大分子體系理論計算方法，率先進行了復雜生物大分子長時分子動力學和變構動力學模擬；在分子模擬的基礎上，對30余種重要靶標進行了藥物設計研究，其中一些研究工作已得到實驗結果的驗證，研究人員已發現了上百個具有新穎結構或新作用機制、活性高、選擇性較好的先導化合物，多個化合物已經顯示出較好的前景。
《科學時報》 (2008-10-14 A4生命科學)
