Τεράστια εργαλεία προώθησαν τη μεγάλη χημεία το 2022 Γιγαντιαία σύνολα δεδομένων και κολοσσιαία όργανα βοήθησαν τους επιστήμονες να αντιμετωπίσουν τη χημεία σε τεράστια κλίμακα φέτος

Τα τεράστια εργαλεία προώθησαν τη μεγάλη χημεία το 2022

Γιγαντιαία σύνολα δεδομένων και κολοσσιαία όργανα βοήθησαν τους επιστήμονες να αντιμετωπίσουν τη χημεία σε τεράστια κλίμακα φέτος

μεAriana Remmel

Πίστωση: Oak Ridge Leadership Computing Facility 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 έκαναν μεγάλα βήματα, διδάσκοντας τους υπολογιστές να προβλέπουν δομές πρωτεϊνών σε άνευ προηγουμένου κλίμακα.Τον Ιούλιο, η εταιρεία DeepMind που ανήκει στην Alphabet δημοσίευσε μια βάση δεδομένων που περιέχει τις δομές τουσχεδόν όλες οι γνωστές πρωτεΐνες—​200 εκατομμύρια πλέον μεμονωμένες πρωτεΐνες από περισσότερα από 100 εκατομμύρια είδη—όπως προβλέπεται από τον αλγόριθμο μηχανικής μάθησης AlphaFold.Στη συνέχεια, τον Νοέμβριο, η τεχνολογική εταιρεία Meta έδειξε την πρόοδό της στην τεχνολογία πρόβλεψης πρωτεϊνών με έναν αλγόριθμο AI που ονομάζεταιESMFold.Σε μια προεκτυπωτική μελέτη που δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, οι ερευνητές της Meta ανέφεραν ότι ο νέος τους αλγόριθμος δεν είναι τόσο ακριβής όσο ο AlphaFold αλλά είναι πιο γρήγορος.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).

Βιολόγοι της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον (UW) βοηθούνεπεκτείνει τις βιοχημικές δυνατότητες των υπολογιστών πέρα ​​από το πρότυπο της φύσηςδιδάσκοντας μηχανές να προτείνουν πρωτεΐνες κατά παραγγελία από την αρχή.Ο David Baker του UW και η ομάδα του δημιούργησαν ένα νέο εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης που μπορεί να σχεδιάσει πρωτεΐνες είτε βελτιώνοντας επαναληπτικά με απλές προτροπές 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 καθορίσει τις αλληλουχίες αμινοξέων που απαιτούνται για να γίνουν αποτελεσματικά (Επιστήμη2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Αυτοί οι βιοχημικά έξυπνοι αλγόριθμοι θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να δημιουργήσουν σχέδια για τεχνητές πρωτεΐνες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε νέα βιοϋλικά και φαρμακευτικά προϊόντα.

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

Οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης βοηθούν τους επιστήμονες να ονειρεύονται νέες πρωτεΐνες με συγκεκριμένες λειτουργίες στο μυαλό.

Καθώς οι φιλοδοξίες των υπολογιστικών χημικών αυξάνονται, τόσο αυξάνονται οι υπολογιστές που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση του μοριακού κόσμου.Στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL), οι χημικοί έδωσαν μια πρώτη ματιά σε έναν από τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές που κατασκευάστηκαν ποτέ.Ο υπερυπολογιστής exascale της ORNL, Frontier, είναι μεταξύ των πρώτων μηχανών που υπολόγισαν περισσότερες από 1 εκατομμύριο κυμαινόμενες πράξεις ανά δευτερόλεπτο, μια μονάδα υπολογιστικής αριθμητικής.Αυτή η υπολογιστική ταχύτητα είναι περίπου τρεις φορές πιο γρήγορη από τον κυρίαρχο πρωταθλητή, τον υπερυπολογιστή Fugaku στην Ιαπωνία.Τον επόμενο χρόνο, δύο ακόμη εθνικά εργαστήρια σχεδιάζουν να κάνουν το ντεμπούτο τους υπολογιστές exascale στις ΗΠΑ.Η υπερμεγέθης ισχύς των υπολογιστών αυτών των μηχανημάτων αιχμής 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 ξεπεράσουν 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.«Είμαστε σε ένα σημείο όπου μπορούμε πραγματικά να αρχίσουμε να κάνουμε ερωτήσεις σχετικά με το τι είναι αυτό που λείπει από τις θεωρητικές μεθόδους ή τα μοντέλα μας που θα μας έφεραν πιο κοντά σε αυτό που μας λέει ένα πείραμα ότι είναι αληθινό», η Theresa Windus, υπολογιστική χημικός στην Αϊόβα. Το State University και το έργο ηγούνται με το Exascale Computing Project, είπε η 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 Menlo Park της Καλιφόρνια, εγκαθίσταται το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLACαναβαθμίσεις supercool στην πηγή συνεπούς φωτός Linac (LCLS)που θα μπορούσε να επιτρέψει στους χημικούς να κοιτάξουν βαθύτερα στον εξαιρετικά γρήγορο κόσμο των ατόμων και των ηλεκτρονίων.Η εγκατάσταση είναι χτισμένη σε έναν γραμμικό επιταχυντή 3 χιλιομέτρων, μέρη του οποίου ψύχονται με υγρό ήλιο μέχρι τους 2 K, για να παραχθεί ένας τύπος εξαιρετικά φωτεινής, υπερταχείας πηγής φωτός που ονομάζεται λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL).Οι χημικοί χρησιμοποίησαν τους ισχυρούς παλμούς των οργάνων για να κάνουν μοριακές ταινίες που τους επέτρεψαν να παρακολουθήσουν μυριάδες διαδικασίες, όπως το σχηματισμό χημικών δεσμών και τα φωτοσυνθετικά ένζυμα που λειτουργούν.«Με μια αναλαμπή femtosecond, μπορείτε να δείτε τα άτομα να στέκονται ακίνητα, μεμονωμένους ατομικούς δεσμούς να σπάνε», είπε η Leora Dresselhaus-Marais, επιστήμονας υλικών με κοινά ραντεβού στο Πανεπιστήμιο Stanford και την SLAC, στην 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: SLAC National Accelerator Laboratory

Το λέιζερ ακτίνων Χ του SLAC National Accelerator Laboratory είναι κατασκευασμένο σε έναν γραμμικό επιταχυντή 3 km στο Menlo Park 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 σύμπαντος μας.Η NASA και οι συνεργάτες της -η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία, η Καναδική Διαστημική Υπηρεσία και το Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου- έχουν ήδη δημοσιεύσει δεκάδες εικόνες, από εκθαμβωτικά πορτρέτα αστρικών νεφελωμάτων έως τα στοιχειώδη δακτυλικά αποτυπώματα αρχαίων γαλαξιών.Το τηλεσκόπιο υπέρυθρων 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων είναι εξοπλισμένο με σουίτες επιστημονικών οργάνων που έχουν σχεδιαστεί για να εξερευνήσουν τη βαθιά ιστορία του σύμπαντός μας.Δεκαετίες υπό κατασκευή, το JWST έχει ήδη ξεπεράσει τις προσδοκίες των μηχανικών του τραβώντας μια εικόνα ενός στροβιλιζόμενου γαλαξία όπως εμφανίστηκε πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, με φασματοσκοπικές υπογραφές οξυγόνου, νέον και άλλων ατόμων.Οι επιστήμονες μέτρησαν επίσης τις υπογραφές νεφών και ομίχλης σε έναν εξωπλανήτη, παρέχοντας δεδομένα που θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστροβιολόγους να αναζητήσουν δυνητικά κατοικήσιμους κόσμους πέρα ​​από τη Γη.