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- 528期－諾貝爾獎特別報導（12月號）
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2013-12-01用電腦模擬生物分子化學反應
528 期
Author 作者
黃鎮剛／任教交通大學生物資訊及系統生物研究所。
十月九日大約下午六點半左右，我的研究生世中送了個簡訊給我，要我趕快到諾貝爾獎的網站看看，因為我可能對今年化學獎的得主感到「興趣」。我心裡大概有個數。果然，今年的化學獎得主是史特拉斯堡大學（Université de Strasbourg）與哈佛大學（Harvard University）的馬丁．卡普拉斯（Martin Karplus）、美國南加州大學（University of Southern California）的艾瑞．瓦歇爾（Arieh Warshel）、史丹佛大學（Stanford University）的麥可．萊維特（Michael Levitt）。得獎人之一的瓦歇爾教授，是我當年博士論文的指導教授。諾貝爾獎網頁公佈他們三人得獎的原因為「為複雜化學系統發展了多尺度模型」（the development of multiscale models for complex chemical systems）而得獎。簡單的說，他們將複雜化學系統（如生物分子化學系統）由實驗桌上的操作帶入電腦的模擬世界。這是他們四十多年的工作，他們的貢獻最後終於得到了科學界的認可。
CFF程式的歷史
瓦歇爾出生在以色列，在基布茲（Kibbutz，以色列的集體農場）長大。當初他欲赴大學攻讀化學，基布茲並不支持，因為化學被認為不「實用」。他是在以色列受到的教育，在衛茲曼學院（Weizmann Institute）得到博士學位，論文的指導教授是已經過世的利夫生（Shneior Lifson）教授。利夫生實驗室所發展的CFF（Consistent Force Field）程式，奠定了三位得獎學者後來研究的基石。CFF用簡單的位能函數（potential energy function）模擬分子系統（圖一）。
圖一：分子的總位能函數是一些簡單解析函數加起來的總和，這些簡單函數模擬分子鍵長、鍵角、扭角、凡得瓦、靜電力等作用。
這個位能函數的一階、二階導數也是解析函數。位能函數可用來模擬蛋白質分子的構型與動態軌跡。此方程式若加進量子力學項式
（如瓦歇爾的Empirical Valence Bond, EVB函數或其他半經驗量子力學函數），便可模擬生物分子化學反應，計算反應自由能。
在1967年，由於研究生名額的限制，萊維特未能進入劍橋知名的英國醫學研究委員會分子生物實驗室（MRC Laboratory of Molecular Biology）攻讀博士學位。他在坎諸教授（John Kendrew，1962年化學獎得主）的建議下，先進入利夫生實驗室作程式設計師，撰寫程式（萊維特在次年進入MRC）。坎諸認為應該能夠將電腦程式應用在模擬生物巨分子（如蛋白質或DNA）的結構（圖二）。在利夫生與瓦歇爾的指導下，不到幾個月，萊維特很快的寫好了程式，該程式的名字便是CFF。那時萊維特才20歲 。據萊維特自述，他從IBM FORTRAN II手冊自學程式設計。萊維特在史丹佛的同事稱他為「早期駭客」，萊維特也自認為「電腦怪胎」（computer geek）。……【更多內容請閱讀科學月刊第528期】
圖二：蛋白質分子立體球–棒（ball and stick）結構。球代表原子，棒代表原子之間的鍵結。蛋白質由二十種胺基酸組成。