Alat besar-besaran memajukan kimia besar pada tahun 2022 Set data gergasi dan instrumen kolosal membantu saintis menangani kimia pada skala gergasi tahun ini

Alat besar-besaran memajukan kimia besar pada tahun 2022

Set data gergasi dan instrumen kolosal membantu saintis menangani kimia pada skala gergasi tahun ini

olehAriana Remmel

Kredit: Kemudahan Pengkomputeran Kepimpinan Oak Ridge di ORNL

Superkomputer Frontier di Makmal Kebangsaan Oak Ridge merupakan yang pertama daripada generasi mesin baharu yang akan membantu ahli kimia menjalankan simulasi molekul yang lebih kompleks berbanding sebelum ini.

Para saintis telah membuat penemuan besar dengan alat bersaiz besar pada tahun 2022. Berdasarkan trend kecerdasan buatan yang cekap secara kimia terkini, para penyelidik telah mencapai kemajuan yang besar, mengajar komputer untuk meramalkan struktur protein pada skala yang belum pernah terjadi sebelumnya. Pada bulan Julai, syarikat milik Alphabet, DeepMind, menerbitkan pangkalan data yang mengandungi strukturhampir semua protein yang diketahui—lebih 200 juta protein individu daripada lebih 100 juta spesies—seperti yang diramalkan oleh algoritma pembelajaran mesin AlphaFold. Kemudian, pada bulan November, syarikat teknologi Meta menunjukkan kemajuannya dalam teknologi ramalan protein dengan algoritma AI yang dipanggilESMFoldDalam kajian pracetak yang belum disemak oleh rakan sebaya, penyelidik Meta melaporkan bahawa algoritma baharu mereka tidak setepat AlphaFold tetapi lebih pantas. Peningkatan kelajuan itu bermakna penyelidik boleh meramalkan 600 juta struktur dalam masa 2 minggu sahaja (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Ahli biologi di Sekolah Perubatan Universiti Washington (UW) sedang membantumengembangkan keupayaan biokimia komputer melangkaui templat alam semula jadidengan mengajar mesin untuk mencadangkan protein tersuai dari awal. David Baker dari UW dan pasukannya mencipta alat AI baharu yang boleh mereka bentuk protein sama ada dengan menambah baik secara berulang pada gesaan mudah atau dengan mengisi jurang antara bahagian terpilih struktur sedia ada (Sains2022, DOI:10.1126/sains.abn2100). Pasukan itu juga melancarkan program baharu, ProteinMPNN, yang boleh bermula daripada bentuk 3D yang direka bentuk dan pemasangan pelbagai subunit protein dan kemudian menentukan urutan asid amino yang diperlukan untuk menjadikannya dengan cekap (Sains2022, DOI:10.1126/sains.add2187;10.1126/sains.add1964Algoritma yang bijak secara biokimia ini boleh membantu saintis dalam membina pelan tindakan untuk protein tiruan yang boleh digunakan dalam biobahan dan farmaseutikal baharu.

Kredit: Ian C. Haydon/Institut Reka Bentuk Protein UW

Algoritma pembelajaran mesin membantu saintis mencipta protein baharu dengan fungsi tertentu dalam fikiran.

Seiring dengan berkembangnya cita-cita ahli kimia pengkomputeran, begitu juga komputer yang digunakan untuk mensimulasikan dunia molekul. Di Makmal Kebangsaan Oak Ridge (ORNL), ahli kimia mendapat gambaran sekilas tentang salah satu superkomputer paling berkuasa yang pernah dibina.Superkomputer exascale ORNL, Frontier, merupakan antara mesin pertama yang mengira lebih daripada 1 kuintillion operasi terapung sesaat, satu unit aritmetik pengiraan. Kelajuan pengkomputeran itu kira-kira tiga kali lebih pantas daripada juara bertahan, superkomputer Fugaku di Jepun. Pada tahun berikutnya, dua lagi makmal kebangsaan merancang untuk melancarkan komputer exascale di AS. Kuasa komputer bersaiz besar bagi mesin canggih ini akan membolehkan ahli kimia mensimulasikan sistem molekul yang lebih besar dan pada skala masa yang lebih panjang. Data yang dikumpul daripada model tersebut boleh membantu penyelidik menembusi sempadan apa yang mungkin dalam kimia dengan merapatkan jurang antara tindak balas dalam kelalang dan simulasi maya yang digunakan untuk memodelkannya. “Kita berada pada tahap di mana kita boleh mula benar-benar bertanya soalan tentang apa yang hilang daripada kaedah atau model teori kita yang akan membawa kita lebih dekat kepada apa yang dikatakan oleh eksperimen sebagai nyata,” Theresa Windus, seorang ahli kimia pengkomputeran di Iowa State University dan ketua projek dengan Projek Pengkomputeran Exascale, memberitahu C&EN pada bulan September. Simulasi yang dijalankan pada komputer exascale boleh membantu ahli kimia mencipta sumber bahan api baharu dan mereka bentuk bahan baharu yang berdaya tahan iklim.

Di seluruh negara, di Menlo Park, California, Makmal Pemecut Kebangsaan SLAC sedang memasangnaik taraf super hebat kepada Sumber Cahaya Koheren Linac (LCLS)yang membolehkan ahli kimia meneliti lebih mendalam dunia atom dan elektron yang sangat pantas. Kemudahan ini dibina di atas pemecut linear 3 km, yang sebahagiannya disejukkan dengan helium cecair sehingga 2 K, untuk menghasilkan sejenis sumber cahaya super pantas yang sangat tepat yang dipanggil laser elektron bebas sinar-X (XFEL). Ahli kimia telah menggunakan denyutan kuat instrumen tersebut untuk membuat filem molekul yang membolehkan mereka menonton pelbagai proses, seperti pembentukan ikatan kimia dan enzim fotosintesis berfungsi. "Dalam kilat femtosekon, anda dapat melihat atom berhenti bergerak, ikatan atom tunggal putus," kata Leora Dresselhaus-Marais, seorang saintis bahan dengan pelantikan bersama di Universiti Stanford dan SLAC, kepada C&EN pada bulan Julai. Penaiktarafan kepada LCLS juga akan membolehkan saintis melaraskan tenaga sinar-X dengan lebih baik apabila keupayaan baharu tersedia awal tahun depan.

Kredit: Makmal Pemecut Kebangsaan SLAC

Laser sinar-X Makmal Pemecut Kebangsaan SLAC dibina di atas pemecut linear 3 km di Menlo Park, California.

Tahun ini, saintis juga menyaksikan betapa hebatnya Teleskop Angkasa James Webb (JWST) yang telah lama dinanti-nantikan untuk mendedahkankerumitan kimia alam semesta kitaNASA dan rakan kongsinya—Agensi Angkasa Eropah, Agensi Angkasa Kanada dan Institut Sains Teleskop Angkasa—telah mengeluarkan berpuluh-puluh imej, daripada potret nebula bintang yang mempesonakan hinggalah cap jari unsur galaksi purba. Teleskop inframerah bernilai $10 bilion itu dilengkapi dengan pelbagai instrumen saintifik yang direka untuk meneroka sejarah mendalam alam semesta kita. Selama beberapa dekad dalam proses pembuatannya, JWST telah mengatasi jangkaan juruteranya dengan mengambil imej galaksi yang berputar seperti yang kelihatan 4.6 bilion tahun yang lalu, lengkap dengan tanda spektroskopi oksigen, neon dan atom lain. Saintis juga mengukur tanda awan berwap dan jerebu pada eksoplanet, menyediakan data yang dapat membantu ahli astrobiologi mencari dunia yang berpotensi boleh didiami di luar Bumi.