Ogromna orodja so leta 2022 napredovala v veliki kemiji Ogromni nabori podatkov in ogromni instrumenti so letos pomagali znanstvenikom pri spopadanju s kemijo v velikanskem obsegu

Masivna orodja so leta 2022 napredovala v veliki kemiji

Ogromni nabori podatkov in ogromni instrumenti so letos pomagali znanstvenikom pri spopadanju s kemijo v velikanskem obsegu

avtorAriana Remmel

Zasluge: Oak Ridge Leadership Computing Facility pri ORNL

Superračunalnik Frontier v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge je prvi iz nove generacije strojev, ki bodo kemikom pomagali pri molekularnih simulacijah, ki so bolj zapletene kot kdaj koli prej.

Znanstveniki so s super velikimi orodji leta 2022 prišli do velikih odkritij. Na podlagi nedavnega trenda kemijsko kompetentne umetne inteligence so raziskovalci naredili velike korake in naučili računalnike napovedovati strukture beljakovin v neverjetnem obsegu.Julija je podjetje DeepMind, ki je v lasti Alphabeta, objavilo bazo podatkov, ki vsebuje struktureskoraj vse znane beljakovine— Več kot 200 milijonov posameznih beljakovin iz več kot 100 milijonov vrst — kot predvideva algoritem strojnega učenja AlphaFold.Nato je novembra tehnološko podjetje Meta pokazalo svoj napredek v tehnologiji napovedovanja beljakovin z algoritmom AI, imenovanimESMFold.V študiji prednatisa, ki še ni bila strokovno pregledana, so raziskovalci Meta poročali, da njihov novi algoritem ni tako natančen kot AlphaFold, vendar je hitrejši.Povečana hitrost je pomenila, da so raziskovalci lahko predvideli 600 milijonov struktur v samo 2 tednih (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Biologi na Medicinski fakulteti Univerze v Washingtonu (UW) pomagajorazširiti biokemične zmožnosti računalnikov onkraj predloge naravez učenjem strojev, da iz nič predlagajo beljakovine po meri.David Baker iz UW in njegova ekipa so ustvarili novo orodje AI, ki lahko oblikuje proteine ​​bodisi z iterativnim izboljševanjem preprostih pozivov bodisi z zapolnjevanjem vrzeli med izbranimi deli obstoječe strukture (Znanost2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Ekipa je tudi predstavila nov program, ProteinMPNN, ki lahko začne z oblikovanimi 3D oblikami in sklopi več beljakovinskih podenot in nato določi zaporedja aminokislin, ki so potrebna za njihovo učinkovito izdelavo (Znanost2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Ti biokemično podkovani algoritmi bi lahko pomagali znanstvenikom pri izdelavi načrtov za umetne beljakovine, ki bi jih lahko uporabili v novih biomaterialih in farmacevtskih izdelkih.

Zasluge: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design

Algoritmi strojnega učenja pomagajo znanstvenikom sanjati nove beljakovine z upoštevanjem posebnih funkcij.

Z rastjo ambicij računalniških kemikov rastejo tudi računalniki, ki se uporabljajo za simulacijo molekularnega sveta.V nacionalnem laboratoriju Oak Ridge (ORNL) so kemiki prvič videli enega najmočnejših superračunalnikov, kar jih je bilo kdaj zgrajenih.Eksarazmerni superračunalnik ORNL, Frontier, je med prvimi stroji, ki izračunajo več kot 1 kvintilion plavajočih operacij na sekundo, kar je enota računalniške aritmetike.Ta računalniška hitrost je približno trikrat višja od aktualnega prvaka, superračunalnika Fugaku na Japonskem.V naslednjem letu nameravata še dva nacionalna laboratorija v ZDA debitirati z računalniki v velikosti eksa.Izjemna računalniška moč teh najsodobnejših strojev bo kemikom omogočila simulacijo še večjih molekularnih sistemov in v daljših časovnih okvirih.Podatki, zbrani iz teh modelov, bi lahko pomagali raziskovalcem premakniti meje možnega v kemiji z zmanjšanjem vrzeli med reakcijami v bučki in virtualnimi simulacijami, ki se uporabljajo za njihovo modeliranje."Smo na točki, ko se lahko resnično začnemo spraševati o tem, kaj manjka našim teoretičnim metodam ali modelom, kar bi nas približalo temu, kar nam eksperiment pravi, da je resnično," Theresa Windus, računalniška kemičarka iz Iowe Državna univerza in vodja projekta Exascale Computing Project, je za C&EN povedal septembra.Simulacije, ki se izvajajo na računalnikih v merilu eksa, bi lahko pomagale kemikom izumiti nove vire goriva in oblikovati nove podnebno odporne materiale.

Po vsej državi, v Menlo Parku v Kaliforniji, SLAC National Accelerator Laboratory nameščasupercool nadgradnje na koherentni svetlobni vir Linac (LCLS)ki bi lahko kemikom omogočila, da pokukajo globlje v ultra hiter svet atomov in elektronov.Objekt je zgrajen na 3 km dolgem linearnem pospeševalniku, katerega deli so ohlajeni s tekočim helijem do 2 K, da proizvedejo vrsto supersvetlega, super hitrega vira svetlobe, imenovanega rentgenski laser s prostimi elektroni (XFEL).Kemiki so uporabili močne impulze instrumentov za izdelavo molekularnih filmov, ki so jim omogočili opazovanje neštetih procesov, kot je nastajanje kemičnih vezi in delovanje fotosintetskih encimov.»V femtosekundnem blisku lahko vidite, kako se atomi ustavijo, posamezne atomske vezi se zlomijo,« je julija za C&EN povedala Leora Dresselhaus-Marais, znanstvenica za materiale s skupnimi imenovanji na univerzi Stanford in SLAC.Nadgradnje LCLS bodo znanstvenikom omogočile tudi boljšo prilagoditev energije rentgenskih žarkov, ko bodo nove zmogljivosti na voljo v začetku naslednjega leta.

Zasluge: SLAC National Accelerator Laboratory

Rentgenski laser SLAC National Accelerator Laboratory je zgrajen na 3 km linearnem pospeševalniku v Menlo Parku v Kaliforniji.

Letos so znanstveniki tudi videli, kako močan bi lahko bil dolgo pričakovan vesoljski teleskop James Webb (JWST) za razkrivanjekemična kompleksnost našega vesolja.NASA in njeni partnerji – Evropska vesoljska agencija, Kanadska vesoljska agencija in Znanstveni inštitut za vesoljski teleskop – so že objavili na desetine slik, od bleščečih portretov zvezdnih meglic do elementarnih prstnih odtisov starodavnih galaksij.10 milijard dolarjev vreden infrardeči teleskop je okrašen s sklopi znanstvenih instrumentov, namenjenih raziskovanju globoke zgodovine našega vesolja.JWST, ki je nastajal desetletja, je že presegel pričakovanja svojih inženirjev, saj je posnel sliko vrtinčaste galaksije, kot se je pojavila pred 4,6 milijarde let, skupaj s spektroskopskimi podpisi kisika, neona in drugih atomov.Znanstveniki so izmerili tudi znake soparnih oblakov in meglice na eksoplanetu ter zagotovili podatke, ki bi astrobiologom lahko pomagali pri iskanju potencialno naseljivih svetov onkraj Zemlje.