Τα τεράστια εργαλεία προώθησαν τη μεγάλη χημεία το 2022
Γιγαντιαία σύνολα δεδομένων και κολοσσιαία όργανα βοήθησαν τους επιστήμονες να αντιμετωπίσουν τη χημεία σε γιγαντιαία κλίμακα φέτος
μεΑριάνα Ρέμελ
Πίστωση: Εγκατάσταση Υπολογιστικής Ηγεσίας Oak Ridge στο ORNL
Ο υπερυπολογιστής Frontier στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge είναι ο πρώτος μιας νέας γενιάς μηχανών που θα βοηθήσουν τους χημικούς να αναλάβουν μοριακές προσομοιώσεις που είναι πιο περίπλοκες από ποτέ.
Οι επιστήμονες έκαναν μεγάλες ανακαλύψεις με υπερμεγέθη εργαλεία το 2022. Βασιζόμενοι στην πρόσφατη τάση της χημικά ικανής τεχνητής νοημοσύνης, οι ερευνητές σημείωσαν μεγάλη πρόοδο, διδάσκοντας στους υπολογιστές να προβλέπουν πρωτεϊνικές δομές σε πρωτοφανή κλίμακα. Τον Ιούλιο, η εταιρεία DeepMind, ιδιοκτησίας της Alphabet, δημοσίευσε μια βάση δεδομένων που περιείχε τις δομές των...σχεδόν όλες οι γνωστές πρωτεΐνες—200 εκατομμύρια και πλέον μεμονωμένες πρωτεΐνες από πάνω από 100 εκατομμύρια είδη—όπως προβλέφθηκε από τον αλγόριθμο μηχανικής μάθησης AlphaFold. Στη συνέχεια, τον Νοέμβριο, η τεχνολογική εταιρεία Meta επέδειξε την πρόοδό της στην τεχνολογία πρόβλεψης πρωτεϊνών με έναν αλγόριθμο τεχνητής νοημοσύνης που ονομάζεταιESMFoldΣε μια προδημοσίευση μελέτης που δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, οι ερευνητές του Meta ανέφεραν ότι ο νέος αλγόριθμός τους δεν είναι τόσο ακριβής όσο ο AlphaFold, αλλά είναι ταχύτερος. Η αυξημένη ταχύτητα σήμαινε ότι οι ερευνητές μπορούσαν να προβλέψουν 600 εκατομμύρια δομές σε μόλις 2 εβδομάδες (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Οι βιολόγοι στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον (UW) βοηθούνεπεκτείνουν τις βιοχημικές δυνατότητες των υπολογιστών πέρα από το πρότυπο της φύσηςδιδάσκοντας μηχανές να προτείνουν εξατομικευμένες πρωτεΐνες από την αρχή. Ο David Baker του UW και η ομάδα του δημιούργησαν ένα νέο εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης που μπορεί να σχεδιάζει πρωτεΐνες είτε βελτιώνοντας επαναληπτικά απλές υποδείξεις είτε συμπληρώνοντας τα κενά μεταξύ επιλεγμένων τμημάτων μιας υπάρχουσας δομής (Επιστήμη2022, DOI:10.1126/science.abn2100). Η ομάδα παρουσίασε επίσης ένα νέο πρόγραμμα, το ProteinMPNN, το οποίο μπορεί να ξεκινήσει από σχεδιασμένα τρισδιάστατα σχήματα και συγκροτήματα πολλαπλών πρωτεϊνικών υπομονάδων και στη συνέχεια να προσδιορίσει τις αλληλουχίες αμινοξέων που απαιτούνται για την αποτελεσματική παραγωγή τους (Επιστήμη2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964). Αυτοί οι βιοχημικά έξυπνοι αλγόριθμοι θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες στην κατασκευή σχεδίων για τεχνητές πρωτεΐνες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε νέα βιοϋλικά και φαρμακευτικά προϊόντα.
Πίστωση: Ian C. Haydon/Ινστιτούτο Σχεδιασμού Πρωτεϊνών του UW
Οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης βοηθούν τους επιστήμονες να δημιουργούν νέες πρωτεΐνες έχοντας κατά νου συγκεκριμένες λειτουργίες.
Καθώς οι φιλοδοξίες των χημικών υπολογιστών αυξάνονται, αυξάνονται και οι υπολογιστές που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση του μοριακού κόσμου. Στο Εθνικό Εργαστήριο Όουκ Ριτζ (ORNL), οι χημικοί είχαν την ευκαιρία να δουν για πρώτη φορά έναν από τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές που έχουν κατασκευαστεί ποτέ.Ο υπερυπολογιστής exascale της ORNL, Frontier, είναι από τις πρώτες μηχανές που υπολογίζουν περισσότερες από 1 πεντάκις εκατομμύρια κινητές πράξεις ανά δευτερόλεπτο, μια μονάδα υπολογιστικής αριθμητικής. Αυτή η ταχύτητα υπολογισμού είναι περίπου τρεις φορές πιο γρήγορη από τον πρωταθλητή, τον υπερυπολογιστή Fugaku στην Ιαπωνία. Τον επόμενο χρόνο, δύο ακόμη εθνικά εργαστήρια σχεδιάζουν να λανσάρουν υπολογιστές exascale στις ΗΠΑ. Η τεράστια υπολογιστική ισχύς αυτών των υπερσύγχρονων μηχανών θα επιτρέψει στους χημικούς να προσομοιώσουν ακόμη μεγαλύτερα μοριακά συστήματα και σε μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Τα δεδομένα που συλλέγονται από αυτά τα μοντέλα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να διευρύνουν τα όρια του τι είναι δυνατό στη χημεία, μειώνοντας το χάσμα μεταξύ των αντιδράσεων σε μια φιάλη και των εικονικών προσομοιώσεων που χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίησή τους. «Βρισκόμαστε σε ένα σημείο όπου μπορούμε να αρχίσουμε να θέτουμε πραγματικά ερωτήματα σχετικά με το τι λείπει από τις θεωρητικές μας μεθόδους ή μοντέλα που θα μας έφερναν πιο κοντά σε αυτό που μας λέει ένα πείραμα ότι είναι πραγματικό», δήλωσε η Theresa Windus, υπολογιστική χημικός στο Πανεπιστήμιο της Αϊόβα και επικεφαλής του έργου στο Exascale Computing Project, στο C&EN τον Σεπτέμβριο. Οι προσομοιώσεις που εκτελούνται σε υπολογιστές exascale θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους χημικούς να εφεύρουν νέες πηγές καυσίμων και να σχεδιάσουν νέα υλικά ανθεκτικά στο κλίμα.
Σε όλη τη χώρα, στο Μένλο Παρκ της Καλιφόρνια, το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC εγκαθιστάαναβαθμίσεις supercool στην Linac Coherent Light Source (LCLS)Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στους χημικούς να εμβαθύνουν στον υπερταχύ κόσμο των ατόμων και των ηλεκτρονίων. Η εγκατάσταση είναι χτισμένη σε έναν γραμμικό επιταχυντή 3 χιλιομέτρων, μέρη του οποίου ψύχονται με υγρό ήλιο στους 2 K, για να παράγουν έναν τύπο εξαιρετικά φωτεινής, υπερταχείας πηγής φωτός που ονομάζεται λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL). Οι χημικοί έχουν χρησιμοποιήσει τους ισχυρούς παλμούς των οργάνων για να δημιουργήσουν μοριακές ταινίες που τους έχουν επιτρέψει να παρακολουθούν μυριάδες διεργασίες, όπως ο σχηματισμός χημικών δεσμών και η λειτουργία φωτοσυνθετικών ενζύμων. «Σε μια λάμψη φεμτοδευτερολέπτου, μπορείτε να δείτε τα άτομα να στέκονται ακίνητα, τους μεμονωμένους ατομικούς δεσμούς να σπάνε», δήλωσε η Leora Dresselhaus-Marais, επιστήμονας υλικών με κοινές θέσεις στο Πανεπιστήμιο Stanford και το SLAC, στο C&EN τον Ιούλιο. Οι αναβαθμίσεις στο LCLS θα επιτρέψουν επίσης στους επιστήμονες να συντονίσουν καλύτερα τις ενέργειες των ακτίνων Χ όταν οι νέες δυνατότητες γίνουν διαθέσιμες στις αρχές του επόμενου έτους.
Πίστωση: Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC
Το λέιζερ ακτίνων Χ του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντών SLAC είναι κατασκευασμένο σε έναν γραμμικό επιταχυντή 3 χλμ. στο Μένλο Παρκ της Καλιφόρνια.
Φέτος, οι επιστήμονες είδαν επίσης πόσο ισχυρό θα μπορούσε να είναι το πολυαναμενόμενο Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb (JWST) για την αποκάλυψη τουχημική πολυπλοκότητα του σύμπαντός μαςΗ NASA και οι συνεργάτες της - ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος, ο Καναδικός Οργανισμός Διαστήματος και το Ινστιτούτο Επιστήμης Διαστημικών Τηλεσκοπίων - έχουν ήδη δημοσιεύσει δεκάδες εικόνες, από εκθαμβωτικά πορτρέτα αστρικών νεφελωμάτων μέχρι τα στοιχειακά αποτυπώματα αρχαίων γαλαξιών. Το υπέρυθρο τηλεσκόπιο, αξίας 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων, είναι εξοπλισμένο με σουίτες επιστημονικών οργάνων σχεδιασμένων για να εξερευνήσουν τη βαθιά ιστορία του σύμπαντός μας. Δεκαετίες στην κατασκευή του, το JWST έχει ήδη ξεπεράσει τις προσδοκίες των μηχανικών του, τραβώντας μια εικόνα ενός στροβιλιζόμενου γαλαξία όπως φαινόταν πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, με φασματοσκοπικές υπογραφές οξυγόνου, νέον και άλλων ατόμων. Οι επιστήμονες μέτρησαν επίσης υπογραφές ατμοσφαιρικών νεφών και ομίχλης σε έναν εξωπλανήτη, παρέχοντας δεδομένα που θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστροβιολόγους να αναζητήσουν δυνητικά κατοικήσιμους κόσμους πέρα από τη Γη.
Ώρα δημοσίευσης: 07 Φεβρουαρίου 2023