深圳湾实验室科技创新人物巡礼⑳｜陆扬懿：铸信息技术之钥，解量子生物密码

2023-02-11 14:39:41 来源：凯迪网

人物简介

陆扬懿，2012年获得北京大学理学学士学位，2018年获得美国俄亥俄州立大学物理化学博士学位。2018—2021年在俄亥俄州立大学从事博士后研究，并在同期访问上海交通大学超快科学中心，进行超快光生物学相关合作研究。2021年秋加入深圳湾实验室系统与物理生物学研究所，并于2022年获得“启航学者”项目支持。长期从事理论与计算化学方向研究工作，研究兴趣包括量子生物学，电子结构方法和量子分子反应动力学，目前已于Nat. Commun., J. Phys. Chem.Lett., J.Chem. Theory Comput.等期刊以第一或通讯作者发表论文10余篇。

(相关资料图)

“所以说量子效应竟然在细胞内部持续存在，这简直是荒谬、反直觉的。然而，如果它们确实存在——有很多证据显示在特定现象中量子效应是存在的——那么生命一定在以一种特别的方式在运作。”

——《神秘的量子生命》

2008年，刚刚踏入北京大学化学专业的陆扬懿被图书馆里这些有趣的内容吸引住了——为什么生物催化过程中会发生量子隧穿效应？为什么光合作用中的激子可以像波一样传播，感知所有能抵达反应中心的路径并选择最高效的那条？构成生物体系的主要元素，除了物质层面的分子、原子，还有哪些肉眼不可见的神秘存在？想要探寻自然最深处的奥秘，陆扬懿的求知之旅才刚刚开始。

痴迷量子化学开启求知之旅

“利用几个可以直接写在纸上的数学公式和方程，就可以模拟化学和生物学中那么复杂的系统里观察到的实验现象，这个事实让我觉得不可思议。正是这种不可思议的感觉一直驱动着我。”在大一、大二期间，陆扬懿有意识地选修了大量数理方面的课程。“我从小就喜欢一个人待着看书，特别喜欢幻想科普作品描绘的量子世界里光怪陆离的现象。在大学接触到量子化学之后，我一下就被吸引住了。”

近几十年来随着计算机硬件的高速发展，计算机技术针对很多学科研究体系的模拟已经可以达到很高的精确度，很多传统学科开始探索实验与计算模拟相结合的新模式。大三开始，陆扬懿加入清华大学理论与计算化学实验室进行科研训练。与传统以实验为主的研究方式不同，理论与计算化学以计算机模拟为主要研究手段，对于化学反应系统的模拟依赖于高度精确的量子化学方法。这个领域的研究手段融合了数学、物理、化学以及计算机科学的专业知识。

“经过两年在实验室的学习和思考，我对自己未来的研究方向逐渐清晰了起来。” 陆扬懿介绍，他在本科阶段所打下的交叉学科学习基础，也为后续的研究工作提供了扎实的知识储备。本科毕业后，他决定加入美国俄亥俄州立大学仲冬平教授实验室开启博士研究。

生物功能蕴含量子效应

仲冬平教授实验室因其对DNA修复酶的微观分子修复机制的完整光谱解析而知名。进入实验室后，陆扬懿开始针对包括DNA修复酶在内的蛋白质分子生物功能中的量子效应开展研究。在微观分子层面，大量的蛋白质分子的生物功能包含了一系列的电子/质子转移反应。由于电子和质子的微小质量，这些反应往往伴随着显著的量子效应。甚至可以说，没有这些量子效应，一些生物功能中的关键化学反应完全无法发生。实验室特有的技术手段使得观测这些生物体系中的量子效应成为可能。通过分析这些实验数据，陆扬懿逐步建立起了蛋白质分子生物功能的微观反应量子动力学理论模型，为生物功能的微观分子反应图景添加了一块重要拼图。

然而，生物学体系是一个非常复杂的系统，除了蛋白质、DNA等大分子，还包含水分子等其他分子、离子。更具有挑战的是，生物化学反应中存在的量子效应需要高度精确的量子化学方法才可能实现计算模拟。QM/MM（Quantum Mechanics/Molecular Mechanics）方法创造性地将高精度的量子化学方法和高效率的分子动力学模拟方法相结合，并被成功应用于模拟复杂的生物化学反应过程。这项工作获得了2013年的诺贝尔化学奖。

陆扬懿介绍，迄今为止，大多数的QM/MM方法都默认模拟的反应始终处于单一的电子基态。可是，真实的生物反应体系，例如DNA修复酶的修复机制，光合作用反应机制，呼吸作用的分子机制等等，往往涉及多个电子态。模拟多个电子态体系的量子化学方法需要极高的计算需求，并且这一类方法与分子动力学方法的结合也存在很多的理论困难。世界上仅有少数几个课题组可以对这些复杂的体系进行计算模拟。

加入深圳湾建立多态密度泛函理论

2021年，在深圳湾实验室的邀请下，陆扬懿加入系统与物理生物学研究所发展量子化学计算模拟方法。“我们今年做了一系列的工作，建立起了一个可以同时模拟多个电子激发态的严格理论框架，叫做多态密度泛函理论（MSDFT)。”这个方法突破了Kohn-Sham密度泛函理论只能模拟电子基态的限制。另外，相比于含时密度泛函方法只能计算单电子激发能，多态密度泛函理论是一个通用的可以应用于模拟任意电子激发态的方法。同时，深圳湾实验室多个课题组结合IT（Information Technology）与BT（Biotechnology）技术，合作开发了一个通用的计算软件平台。目前软件平台上已经拥有了多态密度泛函方法，分子动力学模拟等计算模块。

谈及研究目标，陆扬懿表示：“近期我们希望与软件开发负责人张鋆博士合作，将多态密度泛函方法和分子动力学模拟方法结合在一起，可以用来模拟化学/生物学中的复杂体系。再长远一点的目标，我们希望建立一个高效的科研团队，和相关领域的实验课题组合作共同解决领域中的重大科学难题，并且产生一定的转化价值。通过揭示相关酶生物功能的微观反应机制，我们可以启发药物研究的实验室针对相关的疾病找到合适的药物靶点，设计合理的药物分子来调控相应的生物功能。譬如说，对DNA修复酶机制的研究促进了皮肤癌治疗的研究，对于光受体蛋白功能的研究和目前热门的光遗传学（opto-genetics）密切相关。”

“深圳湾实验室拥有自己的超级计算机集群，这是非常难得的。我们有充分的条件去测试方法，并且可以同时进行化学反应的量子模拟、生物大分子模拟而不用担心计算资源的不足。在这样的环境中进行科学探索，我觉得非常幸福。”在陆扬懿看来，员工平均年龄31岁的深圳湾实验室是一个非常具有活力，并且处于高速发展阶段的新型科研机构。对于像他一样处于事业起步期的青年学者，深圳湾实验室提供足够的启动经费，并给予充分的自由度和可靠的后勤支持。