Alat besar memajukan kimia besar pada tahun 2022
Set data raksasa dan instrumen besar membantu saintis menangani kimia pada skala besar tahun ini
olehAriana Remmel
Kredit: Kemudahan Pengkomputeran Kepimpinan Oak Ridge di ORNL
Superkomputer Frontier di Makmal Kebangsaan Oak Ridge ialah yang pertama daripada mesin generasi baharu yang akan membantu ahli kimia mengambil simulasi molekul yang lebih kompleks berbanding sebelum ini.
Para saintis membuat penemuan besar dengan alat bersaiz besar pada tahun 2022. Berdasarkan trend terkini kecerdasan buatan yang cekap secara kimia, para penyelidik telah mencapai kemajuan yang besar, mengajar komputer untuk meramalkan struktur protein pada skala yang tidak pernah berlaku sebelum ini.Pada bulan Julai, syarikat milik Alphabet DeepMind menerbitkan pangkalan data yang mengandungi strukturhampir semua protein yang diketahui—200 juta lebih 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 dipanggilESMFold.Dalam kajian pracetak yang belum lagi disemak rakan sebaya, penyelidik Meta melaporkan bahawa algoritma baharu mereka tidak setepat AlphaFold tetapi lebih pantas.Kelajuan yang meningkat bermakna para penyelidik boleh meramalkan 600 juta struktur dalam masa 2 minggu sahaja (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Ahli biologi di Pusat Pengajian Perubatan Universiti Washington (UW) sedang membantumengembangkan keupayaan biokimia komputer melebihi templat alam semula jadidengan mengajar mesin untuk mencadangkan protein yang dipesan lebih dahulu 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 memulakan program baharu, ProteinMPNN, yang boleh bermula daripada reka bentuk bentuk 3D dan himpunan berbilang subunit protein dan kemudian menentukan urutan asid amino yang diperlukan untuk menjadikannya cekap (Sains2022, DOI:10.1126/sains.tambah2187;10.1126/sains.tambah1964).Algoritma yang bijak biokimia ini boleh membantu saintis dalam membina pelan tindakan untuk protein tiruan yang boleh digunakan dalam biobahan dan farmaseutikal baharu.
Kredit: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Algoritma pembelajaran mesin membantu saintis mengimpikan protein baharu dengan fungsi tertentu dalam fikiran.
Apabila cita-cita ahli kimia pengiraan berkembang, begitu juga komputer yang digunakan untuk mensimulasikan dunia molekul.Di Makmal Kebangsaan Oak Ridge (ORNL), ahli kimia mendapat pandangan pertama pada salah satu superkomputer paling berkuasa yang pernah dibina.Superkomputer exascale ORNL, Frontier, adalah antara mesin pertama yang mengira lebih daripada 1 quintillion 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 nasional merancang untuk memperkenalkan komputer exascale di AS.Kuasa komputer yang lebih besar daripada mesin canggih ini akan membolehkan ahli kimia mensimulasikan sistem molekul yang lebih besar dan pada skala masa yang lebih lama.Data yang dikumpul daripada model tersebut boleh membantu penyelidik menolak sempadan perkara yang mungkin dalam kimia dengan mengecilkan jurang antara tindak balas dalam kelalang dan simulasi maya yang digunakan untuk memodelkannya."Kami berada pada titik di mana kami boleh mula benar-benar bertanya soalan tentang apa yang hilang daripada kaedah atau model teori kami yang akan membawa kami lebih dekat dengan apa yang eksperimen memberitahu kami adalah nyata," Theresa Windus, seorang ahli kimia pengiraan di Iowa Universiti Negeri dan ketua projek dengan Projek Pengkomputeran Exascale, memberitahu C&EN pada bulan September.Simulasi dijalankan pada komputer exascale boleh membantu ahli kimia mencipta sumber bahan api baru dan mereka bentuk bahan tahan iklim baharu.
Di seluruh negara, di Menlo Park, California, SLAC National Accelerator Laboratory sedang memasangpeningkatan supercool kepada Sumber Cahaya Koheren Linac (LCLS)yang boleh membolehkan ahli kimia melihat lebih dalam ke dalam dunia atom dan elektron yang sangat pantas.Kemudahan ini dibina di atas pemecut linear 3 km, sebahagian daripadanya disejukkan dengan helium cecair hingga 2 K, untuk menghasilkan sejenis sumber cahaya superbright dan sangat laju yang dipanggil laser elektron bebas sinar-X (XFEL).Ahli kimia telah menggunakan denyutan kuat instrumen untuk membuat filem molekul yang membolehkan mereka menonton pelbagai proses, seperti pembentukan ikatan kimia dan enzim fotosintetik akan berfungsi."Dalam kilat femtosaat, anda boleh melihat atom diam, ikatan atom tunggal putus," kata Leora Dresselhaus-Marais, seorang saintis bahan dengan pelantikan bersama di Universiti Stanford dan SLAC, memberitahu C&EN pada bulan Julai.Peningkatan kepada LCLS juga akan membolehkan para saintis menyesuaikan tenaga sinar-X dengan lebih baik apabila keupayaan baharu itu tersedia pada awal tahun depan.
Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory
Laser X-ray Makmal Pemecut Kebangsaan SLAC dibina pada pemecut linear 3 km di Menlo Park, California.
Tahun ini, saintis juga melihat betapa hebatnya Teleskop Angkasa Angkasa James Webb (JWST) yang telah lama ditunggu-tunggu untuk mendedahkankerumitan kimia alam semesta kita.NASA 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 kepada cap jari unsur galaksi purba.Teleskop inframerah bernilai $10 bilion dihiasi dengan set instrumen saintifik yang direka untuk meneroka sejarah mendalam alam semesta kita.Dalam pembikinan berdekad-dekad, JWST telah pun mengatasi jangkaan juruteranya dengan merakam imej galaksi berputar seperti yang muncul 4.6 bilion tahun lalu, lengkap dengan tandatangan spektroskopik oksigen, neon dan atom lain.Para saintis juga mengukur tanda tangan awan berwap dan jerebu pada eksoplanet, memberikan data yang boleh membantu ahli astrobiologi mencari dunia yang berpotensi untuk didiami di luar Bumi.
Masa siaran: Feb-07-2023