Milzīgi rīki uzlaboja lielo ķīmiju 2022. gadā
Gigantiskas datu kopas un milzīgi instrumenti palīdzēja zinātniekiem šogad risināt ķīmijas jautājumu milzīgā mērogā
autorsAriana Remmela
Kredīts: Oak Ridge Leadership Computing Facility ORNL
Frontier superdators Oak Ridge National Laboratory ir pirmais no jaunās paaudzes mašīnām, kas palīdzēs ķīmiķiem veikt molekulārās simulācijas, kas ir sarežģītākas nekā jebkad agrāk.
Zinātnieki 2022. gadā veica lielus atklājumus ar lielizmēra rīkiem. Pamatojoties uz neseno ķīmiski kompetentā mākslīgā intelekta tendenci, pētnieki guva lielus panākumus, mācot datorus prognozēt proteīnu struktūras vēl nebijušā mērogā.Jūlijā Alphabet piederošais uzņēmums DeepMind publicēja datubāzi, kurā bija ietvertas struktūrasgandrīz visas zināmās olbaltumvielas— 200 miljoni plus atsevišķu proteīnu no vairāk nekā 100 miljoniem sugu — kā paredz mašīnmācīšanās algoritms AlphaFold.Pēc tam novembrī tehnoloģiju uzņēmums Meta demonstrēja savu progresu proteīnu prognozēšanas tehnoloģijā ar AI algoritmu ar nosaukumuESMFold.Pirmsdrukas pētījumā, kas vēl nav recenzēts, Meta pētnieki ziņoja, ka viņu jaunais algoritms nav tik precīzs kā AlphaFold, bet ir ātrāks.Palielinātais ātrums nozīmēja, ka pētnieki varēja paredzēt 600 miljonus struktūru tikai 2 nedēļu laikā (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Vašingtonas Universitātes (UW) Medicīnas skolas biologi palīdzpaplašināt datoru bioķīmiskās iespējas ārpus dabas veidnesmācot mašīnām no jauna piedāvāt pielāgotus proteīnus.UW Deivids Beikers un viņa komanda izveidoja jaunu AI rīku, kas var izstrādāt proteīnus, vai nu iteratīvi uzlabojot vienkāršus norādījumus, vai aizpildot atstarpes starp atlasītajām esošās struktūras daļām (Zinātne2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Komanda arī debitēja ar jaunu programmu ProteinMPNN, kas var sākt no izstrādātām 3D formām un vairāku olbaltumvielu apakšvienību komplektiem un pēc tam noteikt aminoskābju sekvences, kas nepieciešamas, lai tās efektīvi izveidotu (Zinātne2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Šie bioķīmiski gudrie algoritmi varētu palīdzēt zinātniekiem izveidot mākslīgo proteīnu projektus, ko varētu izmantot jaunos biomateriālos un farmācijā.
Kredīts: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Mašīnmācīšanās algoritmi palīdz zinātniekiem izdomāt jaunus proteīnus, paturot prātā īpašas funkcijas.
Pieaugot skaitļošanas ķīmiķu ambīcijām, pieaug arī datori, ko izmanto molekulārās pasaules simulēšanai.Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ķīmiķi pirmo reizi ieraudzīja vienu no jaudīgākajiem superdatoriem, kas jebkad ir uzbūvēti.ORNL eksa mēroga superdators, Frontier, ir viena no pirmajām iekārtām, kas aprēķina vairāk nekā 1 kvintiljonu peldošo operāciju sekundē, kas ir skaitļošanas aritmētikas vienība.Šis skaitļošanas ātrums ir aptuveni trīs reizes lielāks nekā valdošajam čempionam, superdatoram Fugaku Japānā.Nākamajā gadā vēl divas nacionālās laboratorijas plāno debitēt eksa mēroga datorus ASV.Šo vismodernāko iekārtu lielā datora jauda ļaus ķīmiķiem simulēt vēl lielākas molekulārās sistēmas un ilgākā laika posmā.No šiem modeļiem savāktie dati varētu palīdzēt pētniekiem virzīt robežas tam, kas ir iespējams ķīmijā, samazinot plaisu starp reakcijām kolbā un virtuālajām simulācijām, ko izmanto to modelēšanai."Mēs esam tādā brīdī, kad varam sākt patiešām uzdot jautājumus par to, kas trūkst mūsu teorētiskajās metodēs vai modeļos, kas ļautu mums tuvināt to, ko eksperiments mums saka, ka tas ir īsts," saka Terēza Vinusa, Aiovas skaitļošanas ķīmiķe. Valsts universitāte un projekta vadītājs ar Exascale Computing Project septembrī pastāstīja C&EN.Simulācijas, kas tiek veiktas ar eksa mēroga datoriem, varētu palīdzēt ķīmiķiem izgudrot jaunus degvielas avotus un izstrādāt jaunus pret klimata pārmaiņām izturīgus materiālus.
Visā valstī Menlo parkā, Kalifornijā, tiek uzstādīta SLAC Nacionālā paātrinātāja laboratorija.supercool uzlabojumi Linac koherentajam gaismas avotam (LCLS)kas ļautu ķīmiķiem dziļāk ieskatīties īpaši ātrajā atomu un elektronu pasaulē.Iekārta ir veidota uz 3 km lineāra paātrinātāja, kura daļas tiek atdzesētas ar šķidru hēliju līdz 2 K, lai iegūtu īpaši spilgtu, īpaši ātru gaismas avotu, ko sauc par rentgenstaru brīvo elektronu lāzeru (XFEL).Ķīmiķi ir izmantojuši instrumentu jaudīgos impulsus, lai izveidotu molekulāras filmas, kas ļāva viņiem vērot neskaitāmus procesus, piemēram, ķīmisko saišu veidošanos un fotosintēzes enzīmu darbību."Femtosekundes zibspuldzē jūs varat redzēt, ka atomi stāv uz vietas, atsevišķas atomu saites pārtrūkst," C&EN jūlijā sacīja Leora Dresselhaus-Marais, materiālu zinātniece ar kopīgām tikšanās Stenfordas universitātē un SLAC.LCLS jauninājumi arī ļaus zinātniekiem labāk pielāgot rentgenstaru enerģiju, kad jaunās iespējas būs pieejamas nākamā gada sākumā.
Kredīts: SLAC National Accelerator Laboratory
SLAC Nacionālās paātrinātāja laboratorijas rentgena lāzers ir uzbūvēts uz 3 km lineārā paātrinātāja Menlo parkā, Kalifornijā.
Šogad zinātnieki arī redzēja, cik spēcīgs varētu būt ilgi gaidītais Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (JWST), lai atklātumūsu Visuma ķīmiskā sarežģītība.NASA un tās partneri — Eiropas Kosmosa aģentūra, Kanādas Kosmosa aģentūra un Kosmosa teleskopa zinātnes institūts — jau ir izlaiduši desmitiem attēlu, sākot no žilbinošiem zvaigžņu miglāju portretiem līdz seno galaktiku elementārajiem pirkstu nospiedumiem.10 miljardus dolāru vērtais infrasarkanais teleskops ir aprīkots ar zinātnisku instrumentu komplektiem, kas izstrādāti, lai izpētītu mūsu Visuma dziļo vēsturi.Gadu desmitiem laikā JWST jau ir pārspējis savu inženieru cerības, uzņemot virpuļojošas galaktikas attēlu, kāda tā parādījās pirms 4,6 miljardiem gadu, kopā ar skābekļa, neona un citu atomu spektroskopiskiem signāliem.Zinātnieki arī izmērīja tveicīgu mākoņu un miglas pazīmes uz eksoplanētas, sniedzot datus, kas varētu palīdzēt astrobiologiem meklēt potenciāli apdzīvojamas pasaules ārpus Zemes.
Publicēšanas laiks: 07.02.2023