Massive værktøjer avancerede stor kemi i 2022 Gigantiske datasæt og kolossale instrumenter hjalp forskere med at tackle kemi i kæmpe skala i år.

Massive værktøjer avancerede stor kemi i 2022

Gigantiske datasæt og kolossale instrumenter hjalp forskere med at tackle kemi i kæmpe skala i år.

vedAriana Remmel

Kilde: Oak Ridge Leadership Computing Facility på ORNL

Frontier-supercomputeren på Oak Ridge National Laboratory er den første i en ny generation af maskiner, der vil hjælpe kemikere med at udføre molekylære simuleringer, der er mere komplekse end nogensinde før.

Forskere gjorde store opdagelser med superstore værktøjer i 2022. Med udgangspunkt i den seneste tendens til kemisk kompetent kunstig intelligens gjorde forskere store fremskridt og lærte computere at forudsige proteinstrukturer i en hidtil uset skala. I juli offentliggjorde det Alphabet-ejede firma DeepMind en database med strukturerne afnæsten alle kendte proteiner—​200 millioner plus individuelle proteiner fra over 100 millioner arter — som forudsagt af maskinlæringsalgoritmen AlphaFold. I november demonstrerede teknologivirksomheden Meta derefter sine fremskridt inden for proteinforudsigelsesteknologi med en AI-algoritme kaldetESMFoldI et preprint-studie, der endnu ikke er blevet fagfællebedømt, rapporterede Meta-forskere, at deres nye algoritme ikke er lige så præcis som AlphaFold, men at den er hurtigere. Den øgede hastighed betød, at forskerne kunne forudsige 600 millioner strukturer på bare 2 uger (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Biologer ved University of Washington (UW) School of Medicine hjælperudvide computeres biokemiske evner ud over naturens skabelonved at lære maskiner at foreslå skræddersyede proteiner fra bunden. UW's David Baker og hans team har skabt et nyt AI-værktøj, der kan designe proteiner ved enten iterativt at forbedre simple prompts eller ved at udfylde hullerne mellem udvalgte dele af en eksisterende struktur (Videnskab2022, DOI:10.1126/videnskab.abn2100Holdet præsenterede også et nyt program, ProteinMPNN, der kan starte ud fra designede 3D-former og samlinger af flere proteinunderenheder og derefter bestemme de aminosyresekvenser, der er nødvendige for at fremstille dem effektivt (Videnskab2022, DOI:10.1126/videnskab.add2187;10.1126/videnskab.add1964Disse biokemisk avancerede algoritmer kan hjælpe forskere med at udvikle tegninger til kunstige proteiner, der kan bruges i nye biomaterialer og lægemidler.

Kilde: Ian C. Haydon/UW Instituttet for Proteindesign

Maskinlæringsalgoritmer hjælper forskere med at udtænke nye proteiner med specifikke funktioner i tankerne.

I takt med at beregningskemikeres ambitioner vokser, vokser også de computere, der bruges til at simulere den molekylære verden. På Oak Ridge National Laboratory (ORNL) fik kemikere et første glimt af en af ​​de mest kraftfulde supercomputere, der nogensinde er bygget.ORNLs exaskala-supercomputer, Frontier, er blandt de første maskiner, der beregner mere end 1 quintillion flydende operationer pr. sekund, en enhed inden for beregningsmæssig aritmetik. Denne beregningshastighed er omkring tre gange så hurtig som den regerende mester, supercomputeren Fugaku i Japan. I det næste år planlægger to nationale laboratorier mere at debutere med exaskala-computere i USA. Den enorme computerkraft i disse avancerede maskiner vil give kemikere mulighed for at simulere endnu større molekylære systemer og på længere tidsskalaer. Data indsamlet fra disse modeller kan hjælpe forskere med at flytte grænserne for, hvad der er muligt inden for kemi, ved at mindske kløften mellem reaktionerne i en kolbe og de virtuelle simuleringer, der bruges til at modellere dem. "Vi er på et punkt, hvor vi virkelig kan begynde at stille spørgsmål om, hvad det er, der mangler i vores teoretiske metoder eller modeller, der ville bringe os tættere på, hvad et eksperiment fortæller os er virkeligt," fortalte Theresa Windus, en beregningskemiker ved Iowa State University og projektleder med Exascale Computing Project, til C&EN i september. Simuleringer, der kører på exaskala-computere, kan hjælpe kemikere med at opfinde nye brændstofkilder og designe nye klimarobuste materialer.

Over hele landet, i Menlo Park, Californien, installerer SLAC National Accelerator LaboratorySuperseje opgraderinger til Linear Acc Coherent Light Source (LCLS)der kan give kemikere mulighed for at se dybere ned i atomernes og elektronernes ultrahurtige verden. Anlægget er bygget på en 3 km lang lineær accelerator, hvoraf dele afkøles med flydende helium ned til 2 K, for at producere en type superklar, superhurtig lyskilde kaldet en røntgenfrielektronlaser (XFEL). Kemikere har brugt instrumenternes kraftige pulser til at lave molekylære film, der har gjort det muligt for dem at observere utallige processer, såsom dannelse af kemiske bindinger og fotosyntetiske enzymer, der går i gang. "På et femtosekunds glimt kan man se atomer stå stille, enkelte atombindinger bryde," fortalte Leora Dresselhaus-Marais, en materialeforsker med fælles ansættelser ved Stanford University og SLAC, til C&EN i juli. Opgraderingerne til LCLS vil også give forskere mulighed for bedre at justere røntgenstrålernes energier, når de nye funktioner bliver tilgængelige i begyndelsen af ​​næste år.

Kilde: SLAC National Accelerator Laboratory

SLAC National Accelerator Laboratorys røntgenlaser er bygget på en 3 km lang lineær accelerator i Menlo Park, Californien.

I år så forskerne også, hvor kraftfuldt det længe ventede James Webb-rumteleskop (JWST) kunne være til at afsløreden kemiske kompleksitet af vores universNASA og dets partnere – Den Europæiske Rumorganisation, Den Canadiske Rumorganisation og Space Telescope Science Institute – har allerede udgivet snesevis af billeder, lige fra blændende portrætter af stjernetåger til de elementære fingeraftryk af gamle galakser. Det 10 milliarder dollar dyre infrarøde teleskop er udstyret med en række videnskabelige instrumenter designet til at udforske vores univers' dybe historie. JWST, der har været under udvikling i årtier, har allerede overgået sine ingeniørers forventninger ved at tage et billede af en hvirvlende galakse, som den så ud for 4,6 milliarder år siden, komplet med spektroskopiske signaturer af ilt, neon og andre atomer. Forskere målte også signaturer af dampende skyer og dis på en exoplanet, hvilket gav data, der kan hjælpe astrobiologer med at søge efter potentielt beboelige verdener uden for Jorden.