- A+
物理学家、计算机科学家和生物医学工程师走进一家酒吧……开始打台球。生物医学工程师瞄准并将母球打入袋子，将其他 15 个球散落在桌子上。物理学家看着母球碰撞并将动量传递给其他球，然后吐槽生物医学工程师在最初的击球中用力太大，应该稍微后退一点。慌张的生物医学工程师反驳说，这次击球是完美的，如果他们放慢时间，随时观察每一个球，那么三个人都会看到这次击球是完美的。出于好奇，这位计算机科学家开玩笑地建议他们应该这样做，创建一个模拟，他们可以在其中改变输入力并观察系统随着时间的推移而变化，因为台球与其自身以及桌子的两侧相互作用。这是分子动力学模拟的基本原理。
虽然这个名称可能看起来复杂而冗长，但分子动力学模拟 (MDS) 是一种相当简单的方法，用于了解分子如何相互作用以及如何与它们的环境相互作用。该实践归结为三个主要步骤：初始化分子和环境，计算分子与分子和分子与环境的相互作用，并在某个时间间隔用新的物理特性更新系统内的分子。
历史
分子动力学的起源可以追溯到伽利略时代，当时这位伟大的科学家努力发现支配物体运动的规律。大约三百年后，随着计算机的出现，计算模拟也从幻想走入现实。1955 年 5 月，科学家 Fermi、Pasta、Ulam 和 Tsingou 发表了他们的论文Studies of Nonlinear Problems，描述了一种使用他们的实验室计算机 MANIAC I 模拟 64 个粒子的一维系统的方法。这标志着真正的分子动力学模拟的第一个实例。自该项目以来，MDS 在科学发现中占据重要地位。
当前应用程序
在当今世界，许多行业已将 MDS 视为研发不可或缺的一部分。例如，生物化学领域的研究人员使用该方法复制和预测蛋白质折叠和对接 。在制药行业，科学家能够使用蛋白质-药物相互作用的 MDS 模型研究药物设计 。材料科学家可以通过环境与材料的相互作用来模拟应力-应变变形，从而进一步探索纳米晶金属的特性 。
MDS应用广泛，但具体是怎么用的呢？让我们来看一个生化应用，并观察两种蛋白质（具体来说，一种抗体及其抗原）在溶液中相互作用的实验。首先，需要对环境和两种蛋白质进行初始化并赋予其物理特性。必须为每个蛋白质和环境分子提供位置、速度、原子结构、能量和其他此类信息，以描述初始状态。其次，我们计算分子-分子和分子-环境相互作用。我们的抗体和抗原蛋白之间的相互作用应该导致结合和形成复合物。为了达到这个预期的结果，我们不能只看蛋白质；还必须考虑其模拟环境的特性。例如，血液中的蛋白质与水中的蛋白质之间的相互作用可能因每种液体的独特性质而不同。在第二步中，需要计算蛋白质的能量、运动和其他物理参数，以便为下一步提供足够的信息。
第三：系统需要根据上一步的物理、化学、数学关系推导出来的信息进行更新。例如，如果抗体和抗原彼此相距太远，系统可能倾向于将它们移近一些。或者，如果两个带电区域相互排斥，系统可能会选择将它们移得更远。第二步和第三步以固定的时间间隔重复，直到达到时间限制。此时，可以检查和处理每个时间步长的数据以进一步了解和发现。
多样性与未来
分子动力学模拟是在许多学科内流行且得到大量使用的方法。MDS 对于蛋白质、药物和材料科学至关重要，并已进入工程和汽车设计等不同领域——在这些领域中，流体动力学模拟可用于模拟载有液体货物的车辆的驾驶条件。根据这些模拟的数据，在设计未来的运输车辆时可能会考虑更好的设计参数。从阿司匹林到沥青再到奥迪，MDS 在当今技术的发展和进步中扮演着重要角色。
