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一、什么是分子动力学模拟？

分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟是一种基于经典力学原理，通过数值求解牛顿运动方程，对分子体系中每个原子的运动轨迹进行追踪的计算方法。该方法可在原子或分子尺度上重现物质随时间演化的动态行为，是连接微观结构与宏观性质的桥梁，为理解复杂系统的物理化学机制提供了强有力的工具。MD模拟广泛应用于物理、化学、生物、材料、药学、环境等多个学科，特别适合研究生物大分子（如蛋白质、核酸）的结构与功能关系，以及材料微观结构与热力学性质之间的关联。

通过模拟，研究者可以从动态视角揭示实验难以捕捉的过程，为理论研究和工程应用提供直观且定量的依据。

二、分子动力学模拟的主要应用领域

根据研究目标与体系规模的不同，MD模拟的应用可大致分为以下几类：

1. 生物分子建模与动态分析

•同源建模与从头预测蛋白质三维结构；

•分子对接研究，包括蛋白-小分子、蛋白-蛋白、核酸-小分子、多肽-蛋白等复合物的识别机制；

•分析不同外界条件（如 pH、温度、离子强度、电场）下生物大分子的结构稳定性与构象变化；

•模拟受体-配体结合路径、弱相互作用（氢键、疏水作用、范德华力）的动态演变；

•计算结合自由能，评估分子识别的特异性与亲和力。

2. 动力学性质分析与结构预测

•计算回旋半径（Rg）、均方根偏差（RMSD）、均方根涨落（RMSF）、径向分布函数（RDF）、扩散系数等；

•分析氢键网络演化、疏水核心形成、能量组分分解；

•应用于高分子链构象预测、膜蛋白嵌入行为、界面性质研究；

•粗粒化模拟（CG MD）：降低计算成本，实现超大体系或长时间尺度模拟（如细胞器、病毒衣壳）。

3. 药物设计与虚拟筛选

•构建药物类似物库，建立构效关系（SAR）或定量构效关系（QSAR）模型；

•预测 ADMET 性质（吸收、分布、代谢、排泄、毒性）；

•评估化合物成药性与靶点结合模式；

•结合分子对接与 MD 模拟，提升虚拟筛选的命中率与可靠性。

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三、常用的分子动力学模拟软件与工具

MD模拟的成功实施依赖于高效的软件平台与可视化分析工具。以下为主要类别及代表工具：

1. 核心模拟软件（按适用领域分类）

2. 可视化与轨迹分析工具

VMD：强大的分子可视化与轨迹分析工具，支持复杂体系渲染与脚本批处理。

PyMOL：广受欢迎的结构展示工具，适合论文插图与演示。

UCSF Chimera / ChimeraX：交互式界面，支持结构比对、突变分析、动画制作。

MDAnalysis / MDTraj / pytraj：Python 库，用于轨迹处理、特征提取与数据分析，便于自动化流程开发。

四、哪些机构/平台可进行分子动力学模拟？

MD模拟的算力需求差异巨大：从笔记本电脑可完成的小分子短时模拟，到需依赖超级计算机的数百万原子体系长时间演化。选择合适的执行平台需综合考虑体系规模、模拟时长、预算与专业支持。

1. 按体系规模推荐计算方案

2. 国内外知名机构与企业平台

（1）国外领先机构与企业

D. E. Shaw Research

全球 MD 模拟领域的顶尖研究机构，其自主研发的 Anton 超级计算机专为长时程生物分子模拟优化，可实现毫秒级模拟，大幅提升对蛋白质折叠、构象动力学的解析能力。其技术与软件被全球顶级药企与科研机构广泛采用。

Schrödinger

提供从分子建模、虚拟筛选到 MD 模拟的一体化平台，尤其在药物发现领域占据重要地位。其 Desmond 软件集成高性能计算与可视化分析，支持大规模并行模拟，适合工业级研发流程。

（2）国内科研服务公司与平台

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国内涌现出一批具备国际水准的科研服务公司，提供从计算资源到技术支持的一站式 MD 模拟服务：华算科技作为科研服务商，分子动力学模拟是其重点服务项目，同时覆盖第一性原理、量子化学等多类计算服务。公司拥有海外博士领衔的 500 多名博士团队，累计交付超 50000 项服务项目，服务全球 10000 多家高校与企业用户。其计算数据已支撑客户在 Nature、Science 子刊等国际顶刊发表多篇成果，且配备 VASP、Materials Studio 等正版软件，能通过 1 对 1 专属服务保障数据合规与项目精准推进。

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