分子模擬技術(shù)是人們從分子層次探究生命現(xiàn)象物理原理的重要手段,被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究.自從20世紀(jì)70年代Karplus等科學(xué)家首次將分子動(dòng)力學(xué)模擬應(yīng)用于蛋白質(zhì)研究以來(lái),分子模擬技術(shù)在生物分子體系研究中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展,深刻影響了生物物理學(xué)與分子生物學(xué)研究的基本范式.生物大分子的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)涉及皮秒到毫秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度,如何精確表征具有復(fù)雜能量面特征的生物大分子結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)的多尺度特性是生物分子模擬領(lǐng)域的核心難題.通過(guò)物理、化學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家近50年的不懈努力,人們?cè)谏锓肿恿?chǎng)準(zhǔn)確度提升、各種相互作用的準(zhǔn)確描述和計(jì)算、增強(qiáng)采樣與自由能計(jì)算、高維分子模擬數(shù)據(jù)信息挖掘以及多尺度理論模擬算法構(gòu)建等方面取得了多個(gè)突破.目前,人們不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一些蛋白質(zhì)分子體系毫秒時(shí)間尺度的折疊全過(guò)程進(jìn)行分子模擬,而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病毒顆粒、細(xì)胞質(zhì)、甚至染色質(zhì)等超大分子體系進(jìn)行分子模擬,在推動(dòng)生命科學(xué)研究向定量化轉(zhuǎn)變中發(fā)揮了重要作用.近年來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的突飛猛進(jìn)為解決生物分子模擬中的挑戰(zhàn)難題提供了新思路.人們開(kāi)始廣泛利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建高精度分子力場(chǎng)、增強(qiáng)分子模擬采樣效率、分析高維復(fù)雜的分子模擬數(shù)據(jù)、提取結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)特征等,取得了一系列重要進(jìn)展.結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法的分子模擬技術(shù)已經(jīng)在生物物理機(jī)制探究、藥物設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)等基礎(chǔ)與應(yīng)用研究中展現(xiàn)出其實(shí)用性與巨大發(fā)展?jié)摿?

鑒于機(jī)器學(xué)習(xí)算法在推動(dòng)生物分子模擬技術(shù)發(fā)展和生物物理研究中的關(guān)鍵作用,《物理學(xué)報(bào)》特組織本專題,邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)部分活躍在該領(lǐng)域前沿的學(xué)者撰稿,深入探討生物分子模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)融合應(yīng)用的最新研究成果,并對(duì)該領(lǐng)域當(dāng)前面臨的重要挑戰(zhàn)及未來(lái)研究中可能的突破方向進(jìn)行綜述和展望.相關(guān)論文涵蓋了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的蛋白質(zhì)分子模擬構(gòu)象空間搜索、RNA扭轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)、蛋白質(zhì)等生物大分子pKa值預(yù)測(cè)、生物大分子構(gòu)象過(guò)渡態(tài)搜索、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量評(píng)估、靶標(biāo)特異性藥物篩選、蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)、高分子塌縮相變和臨界吸附相變以及分子體系高維自由能地貌圖構(gòu)建等十余篇研究和綜述論文,分兩期刊出.這些研究論文和綜述從不同的角度展示了國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的最新進(jìn)展和研究現(xiàn)狀.希望本專題有助于讀者了解該領(lǐng)域的前沿研究課題,并能對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)生物分子模擬學(xué)術(shù)交流發(fā)揮作用.本專題討論的研究領(lǐng)域涉及多個(gè)學(xué)科的交叉融合,且突破性的研究成果不斷涌現(xiàn),因此本專題所涵蓋的代表性成果和前沿進(jìn)展介紹難免有所遺漏,不足之處敬請(qǐng)諒解.