Massive værktøjer udviklede stor kemi i 2022
Gigantiske datasæt og kolossale instrumenter hjalp videnskabsmænd med at tackle kemi i gigantisk skala i år
vedAriana Remmel
Kredit: Oak Ridge Leadership Computing Facility hos ORNL
Frontier-supercomputeren på Oak Ridge National Laboratory er den første af en ny generation af maskiner, der vil hjælpe kemikere med at tage molekylære simuleringer, der er mere komplekse end nogensinde før.
Forskere gjorde store opdagelser med værktøjer i overstørrelse i 2022. Med udgangspunkt i den seneste trend med 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, der indeholder strukturerne fornæsten alle kendte proteiner—200 millioner plus individuelle proteiner fra over 100 millioner arter – som forudsagt af maskinlæringsalgoritmen AlphaFold.Så i november demonstrerede teknologivirksomheden Meta sine fremskridt inden for proteinforudsigelsesteknologi med en AI-algoritme kaldetESMFold.I et preprint-studie, der endnu ikke er blevet peer-reviewed, rapporterede Meta-forskere, at deres nye algoritme ikke er så nøjagtig som AlphaFold, men er hurtigere.Den øgede hastighed betød, at forskerne kunne forudsige 600 millioner strukturer på kun 2 uger (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Biologer ved University of Washington (UW) School of Medicine hjælperudvide computernes biokemiske muligheder ud over naturens skabelonved at lære maskiner at foreslå skræddersyede proteiner fra bunden.UW's David Baker og hans team skabte et nyt AI-værktøj, der kan designe proteiner ved enten at iterativt forbedres på simple prompter eller ved at udfylde hullerne mellem udvalgte dele af en eksisterende struktur (Videnskab2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Holdet debuterede også et nyt program, ProteinMPNN, der kan starte fra designet 3D-former og samlinger af flere proteinunderenheder og derefter bestemme de aminosyresekvenser, der er nødvendige for at lave dem effektivt (Videnskab2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Disse biokemisk kyndige algoritmer kan hjælpe videnskabsmænd med at bygge tegninger til kunstige proteiner, der kan bruges i nye biomaterialer og lægemidler.
Kredit: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Maskinlæringsalgoritmer hjælper videnskabsmænd med at opfinde nye proteiner med specifikke funktioner i tankerne.
Efterhånden som beregningskemikernes ambitioner vokser, vokser 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.ORNL's exascale supercomputer, Frontier, er blandt de første maskiner til at beregne mere end 1 kvintillion flydende operationer i sekundet, en enhed af beregningsmæssig aritmetik.Den computerhastighed er cirka tre gange så høj som den regerende mester, supercomputeren Fugaku i Japan.I det næste år planlægger yderligere to nationale laboratorier at debutere exascale computere i USA.Den store computerkraft i disse avancerede maskiner vil gøre det muligt for kemikere at simulere endnu større molekylære systemer og på længere tidsskalaer.Dataene indsamlet fra disse modeller kan hjælpe forskere med at skubbe grænserne for, hvad der er muligt i kemi ved at indsnævre kløften mellem reaktionerne i en kolbe og de virtuelle simuleringer, der bruges til at modellere dem."Vi er på et tidspunkt, hvor vi virkelig kan begynde at stille spørgsmål om, hvad det er, der mangler fra vores teoretiske metoder eller modeller, der ville bringe os tættere på, hvad et eksperiment fortæller os er virkeligt," Theresa Windus, en beregningskemiker ved Iowa State University og projektleder med Exascale Computing Project, fortalte C&EN i september.Simuleringer, der køres på exascale computere, kan hjælpe kemikere med at opfinde nye brændstofkilder og designe nye klimabestandige materialer.
Over hele landet, i Menlo Park, Californien, installerer SLAC National Accelerator Laboratorysupercool opgraderinger til Linac Coherent Light Source (LCLS)der kunne give kemikere mulighed for at kigge dybere ind i den ultrahurtige verden af atomer og elektroner.Anlægget er bygget på en 3 km lineær accelerator, hvoraf dele afkøles med flydende helium ned til 2 K, for at producere en type superklar, superhurtig lyskilde kaldet en X-ray free-electron laser (XFEL).Kemikere har brugt instrumenternes kraftige impulser til at lave molekylære film, der har gjort dem i stand til at se utallige processer, såsom dannelse af kemiske bindinger og fotosyntetiske enzymer, der virker."På et femtosekunds flash kan du se atomer stå stille, enkelte atombindinger brydes," 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 forskerne mulighed for bedre at justere røntgenstrålernes energier, når de nye funktioner bliver tilgængelige i begyndelsen af næste år.
Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
SLAC National Accelerator Laboratorys røntgenlaser er bygget på en 3 km lineær accelerator i Menlo Park, Californien.
I år så forskerne også, hvor kraftfuldt det længe ventede James Webb Space Telescope (JWST) kunne være til at afslørekemisk kompleksitet i vores univers.NASA og dets partnere - European Space Agency, Canadian Space Agency og Space Telescope Science Institute - har allerede frigivet snesevis af billeder, fra blændende portrætter af stjernetåger til de elementære fingeraftryk fra gamle galakser.Det infrarøde teleskop til $10 milliarder er pyntet med suiter af videnskabelige instrumenter designet til at udforske vores univers' dybe historie.Årtier undervejs har JWST allerede overgået forventningerne hos sine ingeniører ved at tage et billede af en hvirvlende galakse, som den så ud for 4,6 milliarder år siden, komplet med spektroskopiske signaturer af oxygen, neon og andre atomer.Forskere målte også signaturer af dampende skyer og dis på en exoplanet, og leverede data, der kunne hjælpe astrobiologer med at søge efter potentielt beboelige verdener hinsides Jorden.
Indlægstid: 07-02-2023