Masívne nástroje v roku 2022 posunuli veľkú chémiu Gigantické súbory údajov a kolosálne prístroje pomohli vedcom tento rok riešiť chémiu v obrovskom meradle

Masívne nástroje v roku 2022 posunuli veľkú chémiu

Gigantické súbory údajov a kolosálne prístroje pomohli vedcom tento rok riešiť chémiu v obrovskom meradle

odAriana Remmel

Zdroj: Oak Ridge Leadership Computing Facility v ORNL

Superpočítač Frontier v Národnom laboratóriu Oak Ridge je prvým z novej generácie strojov, ktoré pomôžu chemikom vykonávať molekulárne simulácie, ktoré sú zložitejšie ako kedykoľvek predtým.

Vedci v roku 2022 urobili veľké objavy pomocou superrozmerných nástrojov. V nadväznosti na nedávny trend chemicky kompetentnej umelej inteligencie dosiahli výskumníci veľký pokrok a naučili počítače predpovedať štruktúry bielkovín v nebývalom rozsahu. V júli spoločnosť DeepMind, ktorú vlastní Alphabet, zverejnila databázu obsahujúcu štruktúry...takmer všetky známe proteíny— viac ako 200 miliónov jednotlivých proteínov z viac ako 100 miliónov druhov – ako predpovedal algoritmus strojového učenia AlphaFold. Potom v novembri technologická spoločnosť Meta demonštrovala svoj pokrok v technológii predikcie proteínov pomocou algoritmu umelej inteligencie s názvomESMFoldV predbežnej štúdii, ktorá ešte nebola recenzovaná, výskumníci spoločnosti Meta uviedli, že ich nový algoritmus nie je taký presný ako AlphaFold, ale je rýchlejší. Zvýšená rýchlosť znamenala, že výskumníci dokázali predpovedať 600 miliónov štruktúr len za 2 týždne (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Biológovia z Lekárskej fakulty Washingtonskej univerzity (UW) pomáhajúrozšíriť biochemické schopnosti počítačov nad rámec prírodných šablóntým, že učí stroje navrhovať proteíny na mieru od nuly. David Baker z Washingtonskej univerzity a jeho tím vytvorili nový nástroj umelej inteligencie, ktorý dokáže navrhovať proteíny buď iteratívnym vylepšovaním jednoduchých pokynov, alebo vyplnením medzier medzi vybranými časťami existujúcej štruktúry (Veda2022, DOI:10.1126/science.abn2100Tím tiež predstavil nový program s názvom ProteinMPNN, ktorý dokáže začať s navrhnutými 3D tvarmi a zostavami viacerých proteínových podjednotiek a potom určiť aminokyselinové sekvencie potrebné na ich efektívnu výrobu (Veda2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964Tieto biochemicky zdatné algoritmy by mohli pomôcť vedcom pri vytváraní plánov pre umelé proteíny, ktoré by sa mohli použiť v nových biomateriáloch a liečivách.

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

Algoritmy strojového učenia pomáhajú vedcom vymýšľať nové proteíny so zreteľom na špecifické funkcie.

S rastúcimi ambíciami výpočtových chemikov rastú aj počítače používané na simuláciu molekulárneho sveta. V Národnom laboratóriu Oak Ridge (ORNL) sa chemici prvýkrát zoznámili s jedným z najvýkonnejších superpočítačov, aké boli kedy postavené.Exaskálny superpočítač ORNL, Frontier, patrí medzi prvé stroje, ktoré dokážu vypočítať viac ako 1 kvintilion operácií s plávajúcou sériou za sekundu, čo je jednotka výpočtovej aritmetiky. Táto výpočtová rýchlosť je približne trikrát vyššia ako u úradujúceho šampióna, superpočítača Fugaku v Japonsku. V budúcom roku plánujú ďalšie dve národné laboratóriá v USA uviesť na trh exascale počítače. Nadmerný počítačový výkon týchto najmodernejších strojov umožní chemikom simulovať ešte väčšie molekulárne systémy a v dlhších časových horizontoch. Údaje zhromaždené z týchto modelov by mohli pomôcť výskumníkom posunúť hranice toho, čo je možné v chémii, a to zmenšením rozdielu medzi reakciami v banke a virtuálnymi simuláciami používanými na ich modelovanie. „Sme v bode, kde si môžeme začať klásť otázky o tom, čo chýba v našich teoretických metódach alebo modeloch, čo by nás priblížilo k tomu, čo nám experiment hovorí, že je skutočné,“ povedala v septembri pre C&EN Theresa Windusová, výpočtová chemička na Iowskej štátnej univerzite a vedúca projektu Exascale Computing Project. Simulácie bežiace na exaskálnych počítačoch by mohli pomôcť chemikom vynájsť nové zdroje paliva a navrhnúť nové materiály odolné voči zmene klímy.

Po celej krajine, v Menlo Parku v Kalifornii, inštaluje Národné urýchľovacie laboratórium SLACsupermoderné vylepšenia pre Linac Coherent Light Source (LCLS)...čo by mohlo chemikom umožniť nahliadnuť hlbšie do ultrarýchleho sveta atómov a elektrónov. Zariadenie je postavené na 3 km lineárnom urýchľovači, ktorého časti sú chladené kvapalným héliom až na 2 K, aby sa vytvoril typ superjasného, ​​superrýchleho svetelného zdroja nazývaného röntgenový laser s voľnými elektrónmi (XFEL). Chemici využili silné impulzy prístrojov na vytvorenie molekulárnych filmov, ktoré im umožnili sledovať nespočetné množstvo procesov, ako je tvorba chemických väzieb a práca fotosyntetických enzýmov. „Počas femtosekundového záblesku môžete vidieť atómy, ako sa zastavia, ako sa jednotlivé atómové väzby rozpadajú,“ povedala v júli pre C&EN Leora Dresselhaus-Maraisová, materiálová vedkyňa so spoločnými pôsobiskami na Stanfordskej univerzite a SLAC. Modernizácia LCLS tiež umožní vedcom lepšie ladiť energie röntgenového žiarenia, keď budú nové možnosti dostupné začiatkom budúceho roka.

Zdroj: Národné urýchľovacie laboratórium SLAC

Röntgenový laser Národného urýchľovacieho laboratória SLAC je postavený na 3 km lineárnom urýchľovači v Menlo Parku v Kalifornii.

Tento rok vedci tiež videli, aký silný by mohol byť dlho očakávaný vesmírny teleskop Jamesa Webba (JWST) pri odhalení...chemická zložitosť nášho vesmíruNASA a jej partneri – Európska vesmírna agentúra, Kanadská vesmírna agentúra a Vedecký inštitút pre vesmírne teleskopy (Space Telescope Science Institute) – už zverejnili desiatky snímok, od oslnivých portrétov hviezdnych hmlovín až po elementárne odtlačky prstov starovekých galaxií. Infračervený teleskop v hodnote 10 miliárd dolárov je vybavený súborom vedeckých prístrojov určených na skúmanie hlbokej histórie nášho vesmíru. JWST, ktorý sa vyvíjal desaťročia, už prekonal očakávania svojich inžinierov tým, že zachytil snímku víriacej galaxie, ako vyzerala pred 4,6 miliardami rokov, doplnenú spektroskopickými signatúrami kyslíka, neónu a ďalších atómov. Vedci tiež zmerali signatúry parných oblakov a oparu na exoplanéte, čo poskytlo údaje, ktoré by mohli pomôcť astrobiológom hľadať potenciálne obývateľné svety mimo Zeme.