王宪位
时间:2024-04-27 21:07 来源: 作者: 点击:次
个人简介 王宪位，山东曲阜人，浙江工业大学理学院副教授,2014年6月博士毕业于华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验实验，后进入浙江工业大学工作。教育及工作经历如下：2005.09～2009.06 山东师范大学 物理系 物理学本科2009.09～2014.06 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室 硕博连读研究生2014.06～2023.01 浙江工业大学 理学院 讲师2023.01～至今 浙江工业大学 理学院 副教授 教学与课程 主讲过《大学物理》及《大学物理实验》课程 育人成果 浙江工业大学校级优秀班主任。 科研项目 主持和参与的科研项目主持：1).《蛋白酶设计的量子理论研究》国家自然科学基金青年基金，2018.01-2020.12，直接经费21万2).《蛋白质静电性质及振动斯塔克光谱的量子理论计算研究》国家自然科学基金理论物理专项，2016.01-2016.12，直接经费6万3).《分块量子化学方法在蛋白酶理论设计中的应用》浙江省自然科学基金面上项目，2017.01-2019.12，直接经费8万参与：1).《基于双层石墨烯的层状异质结构及其性质的研究》国家自然科学基金面上基金，2020.01-2023.12，直接经费54万2).《二维层状陶瓷材料表面终端原子分布特征的建模和输运性质的模拟》浙江省自然科学基金面上项目，2018.01-2020.12，经费10万 科研成果 研究方向：主要研究方向集中在探索和应用新的算法，以更精确和高效地研究生物系统的性质。一、新方法的发展1) 致力于开发基于分子碎片化方法的线性标度的量子化学方法，从而实现了其在大分子体系中的广泛应用。(a) 开发了EE-GMFCC（带有背景电荷的广义分子碎片共轭冒方法）方法，该方法在确保足够计算精度的前提下，将量子化学方法的计算标度从指数级（计算成本呈指数级增长）降低到了线性。这一方法实现了精确的量子化学方法在包含成千上万原子的蛋白分子体系性质计算中的应用。(参见 J. Phys. Chem. A 2013, 117(32): 7149-7161 https://doi.org/10.1021/jp400779t)(b) EE-GMFCC方法可用于精确计算蛋白分子的电荷分布，包括ESP(electrostatic potential)电荷，并且结合Poisson-Boltzmann方程的隐式溶剂模型(PB model)后，能够精确地预测蛋白分子的溶剂化能。（参见 Sci. Rep. 2018, 8, 5475 https://www.nature.com/articles/s41598-018-23783-8)2) 提出了一种基于分析静电相互作用能量的电荷拟合方法，即EEC电荷模型(Electrostatic Energy-Based Charge Model)。这个方法克服了普遍使用的拟合分子静电势(ESP)电荷对静电环境过于敏感的缺陷。由于传统的ESP电荷存在这一缺陷，为了更精确地描述静电相互作用，通常需要额外的计算来考虑所谓的“极化效应”，这导致计算成本急剧增加。EEC方法使用固定电荷来描述静电相互作用，其精度甚至略优于可极化(polarizable)的ESP电荷。这一创新有助于消除电荷模型对静电环境的过度敏感性，提高计算效率。EEC电荷模型可用于发展下一代更精确的加和形式的分子力场(additive force field)，以更好地模拟和理解分子系统的性质。(注：该方法的发展所关注的问题描述如下：在生物分子力场的应用中，通常需要与显式水模型结合使用。这些广泛用于动力学模拟的水模型（例如TIP3P、TIP4P-Ew、TIP4P/2005等）的参数（非键相互作用）是根据实验观测的水性质（如O-O径向分布函数、蒸发焓、密度等）经验调整获得的。这种经验方法使水模型能够准确地模拟水的各种性质，因此这些水模型通常能够很好地模拟真实水分子的行为。然而，在生物分子力场中，非键（静电）相互作用参数，因为缺乏足够的实验观测数据作为参考，通常是基于第一性原理计算的数据进行拟合的。例如，一些力场使用从HF/6-31G*计算得到的分子周围静电势（如amber力场中的RESP方法）或者氨基酸（DNA和RNA）残基类似物分子与TIP3P水的HF/6-31G*相互作用（如CHARMM力场）为参照来拟合电荷参数。虽然基于第一性原理计算构建力场参数的方法简单、高效且易于操作，但已经证实，这些参数化方法暗含的物理近似与经验调整的参数化方案之间存在显著差异，导致了生物分子力场参数与水模型存在一定的参数不兼容性，突出表现为以下问题：在模拟中，高估了蛋白质-蛋白质之间的相互作用；对于天然无序蛋白质的模拟，会出现与实验不一致的“过堆积”现象。解决这一问题的迫切需求包括：探究以实验数据为参考的经验参数优化方案是否遵循更好的物理逻辑，而不仅仅是误差相互抵消的效果；寻找一种不同于现有方案的基于第一性原理计算的参数化方法，该方法与经验参数化方法之间存在更深层次的物理本源相似性。）(a) 证实了极性化学键与不同外电场之间的QM/MM（量子机制/分子机制）相互作用能与这个外电场之间普遍呈现出线性相关的特性，指出了基于这一特性可以拟合极性化学键的电荷-分析静电相互作用能量的EEC电荷模型(Electrostatic Energy-Based Charge Model)。此外，还证实，在蛋白酶内部电场的模拟计算中，通过依靠这种方法拟合的电荷，相对于传统的分子力场，能够给出与实验测量更加一致的结果。（参见 J. Chem. Phys. 2021, 154, 134107 https://doi.org/10.1063/5.0043707）(b) 以一氧化碳(CO)和氟化氢(HF)分子为研究对象，证实了固定数值的电荷模型（与可极化模型不同，其电荷数值在外界环境变化时保持不变）。当在分子周围增加适当的相互作用点后，这些电荷模型能够精确地预测QM/MM方法计算得到的静电相互作用能，其均方根误差(RMSE)能够控制在0.2kcal/mol以内。（参见 Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 21001-21012 https://doi.org/10.1039/D1CP02776J）(c) 基于RESP（限制静电势）的方法和EEC的方法，我们使用第一性原理计算，在固定电荷的框架下构建了水分子的静电模型，并将其与以实验观测数据为参照的经验参数化水模型（例如TIP3P、TIP4P、TIP4P-Ew、TIP4P/2005）进行了比较。这些研究结果确认了以下重要观点：※固定电荷模型能够有效地描述凝聚相水内部水分子间的不同静电相互作用，与QM/MM的计算相比，均方根误差（RMSE）可以控制在0.6 kcal/mol以内（低于一般模拟研究追求的化学精度1 kcal/mol）。※经验调整水模型参数的方法，基于实验观测数据，旨在模拟复现实验观测的O-O径向分布函数、密度、蒸发焓等水的性质。这个方法不仅仅依赖于参数误差相消效应，还着重于更好地描述凝聚态水中水分子之间的物理相互作用。※RESP电荷与TIP3P水模型，在描述凝聚态水中的静电相互作用方面，具有一定的物理相似性；而EEC电荷拟合方案与先进的TIP4P-Ew（以及TIP4P/2005）水模型共享相似的物理特性。这意味着基于EEC模型可以提高现有蛋白质分子力场的精度，达到与TIP4P/2005水模型相当的水平。通过与TIP4P/2005水模型的结合使用，可以更平衡地描述蛋白质-蛋白质、蛋白质-水和水-水之间的相互作用。这些结果为我们理解不同电荷模型之间的物理关联提供了重要见解，并有望为未来的力场开发和分子模拟研究提供更好的基础。(参见 J. Chem. Theory Comput. 2023, 19, 18, 6294–6312: https://doi.org/10.1021/acs.jctc.3c00467)二、方法应用（1）、计算机辅助药物分子设计（computer aided drug design）（2）、新型蛋白酶的高通量设计（3）、蛋白-蛋白相互作用的预测研究（4）、结合分子动力学模拟和量子化学计算的生物分子内部振动光谱和荧光光谱的研究（5）、基于量子力学/分子力学（QM/MM）多尺度方法的蛋白酶催化机理的研究已发表SCI论文20余篇，其中以第一作者（共一）或通讯作者在J. Chem. Phys.（中科院2区top期刊，IF=4.4）、Phys. Chem. Chem. Phys.（中科院2区top期刊，IF=3.3）、Nature Communicaions （中科院1区top期刊，IF=16.6）、J. Chem. Theory Comput. (中科院分区1区top期刊，IF=5.5)等国际权威期刊发表SCI论文10余篇。发表论文： (28) Wang, X. W.*(通讯)；Wang, Y.Y.; Guo, M.; Wang, X. C.; Li, Y.*; Zhang, J. Z. H., Assessment of an Electrostatic Energy-Based Charge Model for Modeling the Electrostatic Interactions in Water Solvent. J. Chem. Theory Comput. 2023, 19, 18, 6294–6312.(27) A. Hu, J.Z. Zhang, J. Wang, C.C. Li, M. Yuan, Z.C. Lin, Z.P. Qiu, H.Y. Liu, X.W. Wang, P.C. Wei, X. He, X.L. Zhao, W.W. Chou*, G. Deng and B.L. Song*, Cholesterylation of Smoothened is a calcium-accelerated autoreaction involving an intramolecular ester intermediate. Cell Research, 2022: 1-14. (26) Shen C.F.; Wang X.W.*(通讯); and He X.*, Fragment-based Quantum Mechanical Calculation of Excited-State Properties of Fluorescent RNAs. Front. Chem. 2021, 9, 801062. (25) Dai, D. H.#; Wang, X. W.#(共一); Liu, Y. W.; Yang, X.-L.; Glaubitz, C.; Denysenkov, V.; He, X.*; Prisner, T.; Mao, J. F.*, Room-Temperature Dynamic Nuclear Polarization Enhanced Nmr Spectroscopy of Small Biological Molecules in Water. Nat. Commun. 2021, 12, 1-15.(24) Wang, X. W.*(通讯); Li, X. L.; He, X.*; Zhang, J. Z. H.*, A Fixed Multi-Site Interaction Charge Model for an Accurate Prediction of the Qm/Mm Interactions. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 21001-21012. (23) Wang, X. W.*(通讯); Yan, J. H.; Zhang, H.; Xu, Z. S.; Zhang, J. Z. H.*, An Electrostatic Energy-Based Charge Model for Molecular Dynamics Simulation. J. Chem. Phys.2021, 154, 134107. (22) Wang, X. W.* (通讯); Lu, C. H.; Yang M. Y.*, The Impact of Electron Correlation on Describing QM/MM Interactions in the Attendant Molecular Dynamics Simulations of CO in Myoglobin. Sci. Rep. 2020, 10,8539. (21) Lu, C. H.*; Chen, X.; Zhang, C.; Wang, X. W.; Li, S.; & Zhang, S. A., Controlling terahertz radiation in gas plasma with time-delayed laser pulses by the pulsing shaping technology. Optik, 2019, 185, 8-13. (20)Wang, X. W.*(通讯); Li, Y.; Gao, Y.; Yang, Z. J.; Lu, C. H.; Zhu, T.*, A quantum mechanical computational method for modeling electrostatic and solvation effects of protein. Sci. Rep. 2018, 8, 5475. (19)Wang, X. W.; He, X.*, An Ab Initio QM/MM Study of the Electrostatic Contribution to Catalysis in the Active Site of Ketosteroid Isomerase. Molecules 2018, 23, 2410. (18)Li, Y.; Wang, X. W.; Ren, L. L.; Cao, X.; Ji, C.; Xia, F.*; Zhang, J. Z. H.*, Electrostatic Polarization Effect on Cooperative Aggregation of Full Length Human Islet Amyloid. J. Chem. Inf. Model. 2018, 58, 1587-1595. (17)Pei, M.-J.; Lu, C.-H.*; Wang, X.-W.; Sun, Z.-R.; Zhang, S.-A., Enhancement and modulation of terahertz radiation by multi-color laser pulses. Chinese Physics B 2018, 27, 084209. (JCR 3区，IF=1.652)(16)Wang, Y.; Wang, X. W.; Truhlar, D. G.*; He, X.*, How Well Can the M06 Suite of Functionals Describe the Electron Densities of Ne, Ne6+, and Ne8+? J. Chem. Theory Comput. 2017, 13, 6068-6077. (15)Wang, X. W.; Zhang, J. Z. H.; He, X.*, Ab initio Quantum Mechanics/Molecular Mechanics Molecular Dynamics Simulation of CO in the Heme Distal Pocket of Myoglobin. Chin. J. Chem. Phys. 2017, 30, 705-716. (14)Gao, Y.*; Zhang, C.; Wang, X. W.; Zhu, T.*, A test of AMBER force fields in predicting the secondary structure of alpha-helical and beta-hairpin peptides. Chem. Phys. Lett. 2017, 679, 112-118. (13) Cong, Y.; Li, M.; Feng, G.; Li, Y.; Wang, X. W.; Duan, L.*, Trypsin-Ligand binding affinities calculated using an effective interaction entropy method under polarized force field. Sci. Rep. 2017, 7, 1-12. (12) Duan, L.*; Feng, G.; Wang, X. W.; Wang, L.; Zhang, Q., Effect of electrostatic polarization and bridging water on CDK2-ligand binding affinities calculated using a highly efficient interaction entropy method. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 10140-10152. (11) Yang, Z.-J.*; Gao, Q.-H.; Xiong, H.-N.; Shao, J.-X.; Wang, X.-W.; Xu, Z.-J., Pressure-induced magnetic moment abnormal increase in Mn2FeAl and non-continuing decrease in Fe2MnAl via first principles. Sci. Rep. 2017, 7, 1-9. (10) Lu, C. H.*; Zhang, C.; Zhang, L.; Wang, X. W.; Zhang, S. A.*, Modulation of terahertz-spectrum generation from an air plasma by tunable three-color laser pulses. Phys. Rev. A 2017, 96,053402. (9) Wang, X. W.; He, X.*; Zhang, J. Z. H.*, Accurate Calculation of Electric Fields Inside Enzymes. Methods in Enzymology, 2016; Vol. 578; pp 45-72.(8) Wang, X. W.; Zhang, J. Z. H.*; He, X.*, Quantum mechanical calculation of electric fields and vibrational Stark shifts at active site of human aldose reductase. J. Chem. Phys. 2015, 143, 184111.(7) Liu, J.; Wang, X. W.; Zhang, J. Z. H.*; He, X.*, Calculation of protein-ligand binding affinities based on a fragment quantum mechanical method. Rsc. Advances 2015, 5, 107020-107030.(6) Liu, J.; Zhu, T.; Wang, X. W.; He, X.*; Zhang, J. Z. H.*, Quantum Fragment Based ab Initio Molecular Dynamics for Proteins. J. Chem. Theory Comput. 2015, 11, 5897-5905. (5) He X.*; Zhu T.; Wang X. W.; et al., Fragment quantum mechanical calculation of proteins and its applications[J]. Accounts Chem. Res.,2014, 47(9): 2748-2757. (4) Wang X. W.; Li Y. X.; He X.*; et al., Effect of strong electric field on the conformational integrity of insulin[J]. J. Phys. Chem. A 2014, 118(39): 8942-8952.(3) Jia X. Y., Wang X. W., Liu J. F., et al. An improved fragment-based quantum mechanical method for calculation of electrostatic solvation energy of proteins[J]. J. Chem. Phys. 2013,, 139(21): 12B604_1. (2)Wang, X. W.; He X.*; Zhang J. Z. H.*, Predicting mutation-induced Stark shifts in the active site of a protein with a polarized force field. J. Phys. Chem. A 2013,117, 6015-6023. (1) Wang X. W., Liu J. F., Zhang J. Z. H.*, et al. Electrostatically embedded generalized molecular fractionation with conjugate caps method for full quantum mechanical calculation of protein energy[J]. J. Phys. Chem. A 2013, 117(32): 7149-7161. 社会服务 广东省自然科学基金评审人Phys. Chem. Chem. Phys.期刊审稿人 |