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第1篇

盧本卓就是這樣一名科研人，一名不斷尋求生命最大效能的科研工作者。

一項(xiàng)成果引關(guān)注

從計(jì)算機(jī)模擬第一次嘗試介入解決分子生物學(xué)的問(wèn)題開(kāi)始算起，至今已經(jīng)有大概三分之一個(gè)世紀(jì)了，學(xué)術(shù)界對(duì)它的濃厚興趣和重視程度依然有增無(wú)減。畢竟，生物的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單一的自然現(xiàn)象，而用筆來(lái)計(jì)算生物學(xué)中的規(guī)律，常常是難以想象的（這也是19世紀(jì)末20世紀(jì)初理論物理和如今“理論生物學(xué)”的顯著區(qū)別之一）。

同時(shí)，由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及多尺度多物理過(guò)程的特點(diǎn)，這就決定了數(shù)學(xué)在生物學(xué)中的介入，主要是以數(shù)值計(jì)算和模擬為主。就像現(xiàn)代交通技術(shù)中用攝像頭監(jiān)視記錄大街上忙碌穿梭的車流，然后后臺(tái)用電腦分析龐大的細(xì)節(jié)路況信息一樣，分子模擬也用計(jì)算機(jī)來(lái)觀察和分析生命活動(dòng)在極小尺度一原子分子一上的活動(dòng)軌跡。這些眾多的原子、分子就像街道上的車輛。但不同的是生物分子內(nèi)的任意一個(gè)原子都與所有其它原子有相互作用，正是這些相互作用使生物分子形成一個(gè)有機(jī)整體。計(jì)算這些巨大數(shù)目的相互作用是耗費(fèi)計(jì)算機(jī)心力－CPU－的最主要任務(wù)。實(shí)際上，一個(gè)普通分子生物學(xué)問(wèn)題的模擬研究里的計(jì)算量就可以大得足以讓當(dāng)前國(guó)際上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也難以承受。這也是計(jì)算機(jī)模擬科學(xué)家們要攻克的一個(gè)難關(guān)。

2010年6月，一項(xiàng)研究成果“自適應(yīng)快速多極矩Poisson-Boltzmann方程求解程序”軟件包（AFMPB）的beta版本。這一工作總結(jié)了盧本卓近年來(lái)在生物分子靜電相互作用計(jì)算研究中豐富和發(fā)展了的邊界元方法，并首次實(shí)現(xiàn)了與自適應(yīng)新版快速多極矩的結(jié)合，在單CPU計(jì)算上計(jì)算大分子靜電取得最快的加速效果，這也代表了近年來(lái)國(guó)際上在邊界元方法計(jì)算PB靜電方面的最新進(jìn)展。

盧本卓介紹這一進(jìn)展和軟件的文章“AFMPB：An　Adaptive　Fast　Multipole　Poisson-Boltzmann　Solver　for　Calculating　Electrostatics　in　Biomolecular　Systems”刊登在了Computer　Physics　Communication雜志上。

對(duì)盧本卓及其同事發(fā)展的自適應(yīng)快速多極矩邊界元求解PB方程的一整套方法及其開(kāi)源軟件程序包AFMPB，分子靜電領(lǐng)域權(quán)威專家、國(guó)際計(jì)算科學(xué)與發(fā)現(xiàn)雜志主編、美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Nathan　Baker教授在Faculty　of　1000　Biology上這樣推薦和點(diǎn)評(píng)他們的工作：“文章描述了一組用于生物分子計(jì)算的激動(dòng)人心的、嶄新的方法和軟件。作者提供了一個(gè)多極矩加速的邊界元方法，對(duì)一大類隱式溶劑的生物分子模擬、包括蛋白一蛋白相互作用、擴(kuò)散結(jié)合、擁擠溶液模擬等顯示出了巨大的前景”。

Faculty　of　1000　Biology是一個(gè)生物領(lǐng)域著名的在線科研評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該機(jī)構(gòu)專家每年對(duì)全球SCI文章總數(shù)不足千分之二的優(yōu)秀精品生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)論文進(jìn)行推薦和點(diǎn)評(píng)，并賦予“F1000論文”稱號(hào)向科學(xué)界推薦。

另外，最近瑞典斯德哥爾摩大學(xué)Erik　Lindahl教授也在他的“分子動(dòng)力學(xué)模擬算法進(jìn)展”的綜述文章中用了一段話來(lái)評(píng)述盧本卓和他的合作者們?cè)谑褂每焖俣鄻O矩方法加速PB求解、改善內(nèi)存需要、及應(yīng)用于大分子的情形，并展望了它在并行化和處理非周期系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于這一引起廣泛關(guān)注的成果，盧本卓表示，連續(xù)模型是分子模擬中廣泛采用的用來(lái)克服全原子模擬的時(shí)間空間尺度限制的方法，但其模型的準(zhǔn)確性和數(shù)值計(jì)算上的困難也是連續(xù)模型方法長(zhǎng)期面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，其應(yīng)用范圍受到很大限制。而盧本卓他們?cè)诜肿屿o電、電擴(kuò)散及電彈性等方面的工作為實(shí)現(xiàn)高效有效的連續(xù)模型模擬提供了一系列核心技術(shù)、方法與工具，包括模型建立、有效的數(shù)值計(jì)算方法及其所需的分子網(wǎng)格的產(chǎn)生等，將有力促進(jìn)有關(guān)方法的發(fā)展，拓展其應(yīng)用范圍。

兩個(gè)方向顯前景

科研是艱苦的，艱苦到局外人難以感同身受；科研是孤獨(dú)的，孤獨(dú)到?jīng)]有故事可講。十幾年的科研歲月里，盧本卓就像他研究的那些肉眼看不見(jiàn)的微小的生物分子，在飛速地跳躍和運(yùn)動(dòng)著，唯有在顯微鏡下，才能看到它們有多么美，多么熱烈！

2002年，盧本卓獲得了中國(guó)科技大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)的博士學(xué)位，之后于2003年赴美深造，先后在加州大學(xué)圣地亞哥分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)系及美國(guó)著名的非營(yíng)利性醫(yī)學(xué)研究所――霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所做博士后研究。

2008年，盧本卓作為“百人計(jì)劃”海外優(yōu)秀人才引進(jìn)到中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院工作。除了在生物分子靜電計(jì)算的研究中取得了進(jìn)展，一直從事計(jì)算生物／計(jì)算化學(xué)這一高度交叉的新興學(xué)科研究的他，也正在以下方面取得一些有國(guó)際影響的成果：

1、在電擴(kuò)散反應(yīng)的連續(xù)模型、數(shù)值計(jì)算及其應(yīng)用實(shí)踐上取得了一些領(lǐng)先的或探索性的結(jié)果。完全用有限元方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)值求解Poisson-Nernst-Planck（PNP）耦合方程組，成為目前國(guó)際上建立了用連續(xù)模型實(shí)時(shí)實(shí)形（生物分子）研究分子水平上的電擴(kuò)散反應(yīng)過(guò)程的完整工具鏈的少數(shù)小組之一。有關(guān)在J　Comput　Phys等國(guó)際一流雜志上。數(shù)值工作受到put.Phys上的評(píng)論：“這些耦合方程的解對(duì)數(shù)值求解是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)最近盧等人提出一個(gè)有限元／邊界元雜交的方法求解了電擴(kuò)散的PNP方程組?！?/p>

而他所做的關(guān)于有限元求解PNP的工作也受到審稿人的評(píng)價(jià)“文章介紹了鼓舞人心的通過(guò)求解PNP方程來(lái)模擬分子擴(kuò)散反應(yīng)的方法”，“文章解決的問(wèn)題在應(yīng)用上是重要的，從數(shù)學(xué)和計(jì)算的角度也是吸引人的”，“數(shù)值計(jì)算令人印象深刻”等。

另外，作為一個(gè)應(yīng)用，盧本卓及其同事將PNP模型用于研究帶電底物濃度對(duì)其擴(kuò)散反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，通過(guò)精致的計(jì)算方法，預(yù)測(cè)了若干新的物理化學(xué)效應(yīng)。

2、與合作者發(fā)展了用表面求跡法對(duì)生物分子的Gaussian　Surface生成表面網(wǎng)格的新方法及其應(yīng)用軟件TMSmesh。據(jù)作者了解，這為該領(lǐng)域能對(duì)百萬(wàn)原子量級(jí)的生物分子穩(wěn)定生成高質(zhì)量表面網(wǎng)格的唯一軟件，其計(jì)算的病毒分子比通常程序能處理的分子大一個(gè)量級(jí)以上。該工作在一定程度上克服了生物大分子表面產(chǎn)生的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，掃除了生物大分子數(shù)學(xué)模擬中的一個(gè)障礙。

而這項(xiàng)工作的研究?jī)r(jià)值和科學(xué)意義就在于，生物大分子的表面網(wǎng)格產(chǎn)生一直是一個(gè)公共難題。分子網(wǎng)格不僅在傳統(tǒng)的分子可視化、化學(xué)信息學(xué)、分子模擬等有重要的作用，而且在近年來(lái)興起的分子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬中也成為一個(gè)必需的要素。但傳統(tǒng)的分子網(wǎng)格生成方法和工具主要是為可視化和結(jié)構(gòu)計(jì)算服務(wù)的，其質(zhì)量不能滿足數(shù)學(xué)模擬方法，如有限元和邊界元模擬的要求。另外，此前已有的程序在處理大體系的表面和立體網(wǎng)格時(shí)都有困難，這造成了目前對(duì)大分子體系進(jìn)行數(shù)值模擬的一個(gè)瓶頸。這項(xiàng)工作一定程度上掃除了表面網(wǎng)格產(chǎn)生的障礙，同時(shí)為有限元模擬所需的整個(gè)分子立體網(wǎng)格的產(chǎn)生提供了一個(gè)很有希望的基礎(chǔ)，這也是他們下一步的工作目標(biāo)。

潛心向?qū)W不放松

如今的盧本卓，正在走著一條教學(xué)科研相結(jié)合的道路。自從踏上了這條道路，他年輕時(shí)候騎車遠(yuǎn)行、登山旅游、揮汗擊球的時(shí)光大多便只能成為記憶了。早上坐一小時(shí)地鐵上班，晚上7點(diǎn)后回家，成了盧本卓每日生活的寫(xiě)照。矢志不渝，潛心向?qū)W，已屆不惑之年的盧本卓，正在這一個(gè)個(gè)忙碌的日子里，書(shū)寫(xiě)著無(wú)怨無(wú)悔的人生。

對(duì)于未來(lái)，盧本卓表示，計(jì)算將成為研究復(fù)雜生命現(xiàn)象的必需的、最基本的工具和方法之一。生物分子的計(jì)算與模擬研究30年來(lái)發(fā)展迅速，然而遠(yuǎn)未臻于成熟，在真實(shí)分子生物過(guò)程及藥物設(shè)計(jì)研究上的應(yīng)用和預(yù)測(cè)能力還相當(dāng)有限。尤其是在處理具有多尺度特征的生物過(guò)程時(shí)所需要的大量采樣對(duì)計(jì)算提出極高的要求，目前仍然是一個(gè)困難，這大大限制了當(dāng)前計(jì)算生物科學(xué)的可預(yù)測(cè)性。為克服這一困難，國(guó)際上展開(kāi)了大量的研究工作，遍及計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物物理模型和計(jì)算模擬方法等方面。

基于這樣的學(xué)術(shù)背景，他本人擬開(kāi)展的研究項(xiàng)目之一是建立一套完整的“離子通道模擬器”，以解決與之相關(guān)的一系列計(jì)算模擬方法和軟件實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

在眾多生物學(xué)問(wèn)題中，盧本卓及其同事選擇比較有代表性的也極具挑戰(zhàn)性的離子通道來(lái)作為研究體系。原因是生物膜上的離子通道是細(xì)胞進(jìn)行新陳代謝與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的重要途徑，其結(jié)構(gòu)和功能正常是維持生命過(guò)程的基礎(chǔ)，其基因變異和功能障礙與許多疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。作為分子生物學(xué)里最集中的陣地之一，離子通道在生物學(xué)研究里有著不可抗拒的吸引力，因?yàn)樗麄兪恰吧?a href="http://www.95008.net/haowen/26997.html" target="_blank">納米閥門(mén)”，就像晶體管控制計(jì)算機(jī)一樣。離子通道的一個(gè)最突出特征是離子通透的選擇性，既一種離子通道通常只允許某種特定的離子或無(wú)機(jī)小分子通過(guò)。通道內(nèi)包含著擁擠的帶電粒子球、固定的和可移動(dòng)的電荷，以及誘導(dǎo)極化電荷。在原子水平上直接模擬離子通道行為是相當(dāng)困難的，或者就幾乎不可能。在分子生物系統(tǒng)間的時(shí)間、體積和濃度的尺度間隙可分別達(dá)到1012。所有的尺度間隙必須同時(shí)處理，因?yàn)樯镌谝凰查g同時(shí)處理了所有的尺度。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)家一直希望理論計(jì)算科學(xué)家們把計(jì)算建立在具有特異性的三維分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，而不是抽象和簡(jiǎn)化了的模型上。盧本卓他們?nèi)詫⒉捎眠B續(xù)溶劑模型方法來(lái)處理整個(gè)膜和離子通道的多尺度多物理系統(tǒng)，建立一個(gè)原子分子水平上的“離子通道模擬器”的實(shí)用軟件包。由于技術(shù)和模型上的原因，目前國(guó)際上這方面的公用軟件工具還很缺乏。