Grandegaj iloj antaŭenigis grandan kemion en 2022 Gigantaj datumaroj kaj kolosaj instrumentoj helpis sciencistojn pritrakti kemion je giganta skalo ĉi-jare.

Grandegaj iloj antaŭenigis grandan kemion en 2022

Gigantaj datumaroj kaj kolosaj instrumentoj helpis sciencistojn pritrakti kemion je giganta skalo ĉi-jare.

deAriana Remmel

Kredito: Komputila Instalaĵo Oak Ridge Leadership ĉe ORNL

La superkomputilo Frontier ĉe la Nacia Laboratorio Oak Ridge estas la unua el nova generacio de maŝinoj, kiuj helpos kemiistojn fari molekulajn simuladojn pli kompleksajn ol iam antaŭe.

Sciencistoj faris grandajn malkovrojn per superdimensiaj iloj en 2022. Bazante sur la lastatempa tendenco de kemie kompetenta artefarita inteligenteco, esploristoj faris grandajn paŝojn, instruante komputilojn antaŭdiri proteinstrukturojn je senprecedenca skalo. En julio, la kompanio DeepMind, posedata de Alphabet, publikigis datumbazon enhavantan la strukturojn depreskaŭ ĉiuj konataj proteinoj—pli ol 200 milionoj da individuaj proteinoj el pli ol 100 milionoj da specioj—kiel antaŭdiris la maŝinlernada algoritmo AlphaFold. Poste, en novembro, la teĥnologia kompanio Meta montris sian progreson en proteina antaŭdira teknologio per AI-algoritmo nomataESMFoldEn antaŭpublikigita studo, kiu ankoraŭ ne estis kolege reviziita, esploristoj de Meta raportis, ke ilia nova algoritmo ne estas tiel preciza kiel AlphaFold, sed estas pli rapida. La pliigita rapideco signifis, ke la esploristoj povis antaŭdiri 600 milionojn da strukturoj en nur 2 semajnoj (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Biologoj ĉe la Medicina Fakultato de la Universitato de Vaŝingtonio (UW) helpasvastigu la biokemiajn kapablojn de komputiloj preter la ŝablono de la naturoinstruante maŝinojn proponi laŭmendajn proteinojn de nulo. David Baker de la Universitato de Vaŝingtono kaj lia teamo kreis novan ilon por artefarita inteligenteco, kiu povas desegni proteinojn aŭ per ripetaj plibonigoj de simplaj promptoj aŭ per plenigado de la breĉoj inter elektitaj partoj de ekzistanta strukturo (Scienco2022, DOI:10.1126/scienco.abn2100). La teamo ankaŭ lanĉis novan programon, ProteinMPNN, kiu povas komenci de desegnitaj 3D formoj kaj kunigoj de pluraj proteinaj subunuoj kaj poste determini la aminoacidajn sekvencojn necesajn por fari ilin efike (Scienco2022, DOI:10.1126/scienco.add2187;10.1126/scienco.add1964). Ĉi tiuj biokemie lertaj algoritmoj povus helpi sciencistojn konstrui skizojn por artefaritaj proteinoj, kiuj povus esti uzataj en novaj biomaterialoj kaj farmaciaĵoj.

Kredito: Ian C. Haydon/UW Instituto por Proteina Dezajno

Maŝinlernadaj algoritmoj helpas sciencistojn elpensi novajn proteinojn kun specifaj funkcioj en menso.

Dum kreskas la ambicioj de komputilaj kemiistoj, kreskas ankaŭ la komputiloj uzataj por simuli la molekulan mondon. Ĉe la Nacia Laboratorio Oak Ridge (ORNL), kemiistoj unuafoje ekvidis unu el la plej potencaj superkomputiloj iam konstruitaj.La eksaskala superkomputilo de ORNL, Frontier, estas inter la unuaj maŝinoj, kiuj kalkulas pli ol 1 kvintilionon da ŝvebantaj operacioj po sekundo, unuon de komputila aritmetiko. Tiu komputila rapido estas ĉirkaŭ trioble pli rapida ol la reganta ĉampiono, la superkomputilo Fugaku en Japanio. En la venonta jaro, du pliaj naciaj laboratorioj planas debuti eksaskalajn komputilojn en Usono. La grandega komputila potenco de ĉi tiuj pintnivelaj maŝinoj permesos al kemiistoj simuli eĉ pli grandajn molekulajn sistemojn kaj je pli longaj temposkaloj. La datumoj kolektitaj de tiuj modeloj povus helpi esploristojn etendi la limojn de tio, kio eblas en kemio, mallarĝigante la interspacon inter la reakcioj en flakono kaj la virtualaj simuladoj uzataj por modeli ilin. "Ni estas ĉe punkto, kie ni povas vere komenci demandi pri tio, kio mankas en niaj teoriaj metodoj aŭ modeloj, kio alproksimigus nin al tio, kion eksperimento diras al ni esti reala," Theresa Windus, komputila kemiisto ĉe la Ŝtata Universitato de Iovao kaj projektestro de la Eksaskala Komputa Projekto, diris al C&EN en septembro. Simuladoj funkciigitaj sur eksaskalaj komputiloj povus helpi kemiistojn inventi novajn fuelfontojn kaj desegni novajn klimat-rezistemajn materialojn.

Tra la tuta lando, en Menlo Park, Kalifornio, la Nacia Akcelila Laboratorio SLAC instalassuperŝikaj ĝisdatigoj al la Linac Kohera Lumfonto (LCLS)tio povus permesi al kemiistoj rigardi pli profunde en la ultrarapidan mondon de atomoj kaj elektronoj. La instalaĵo estas konstruita sur 3-kilometra linia akcelilo, partoj de kiu estas malvarmigitaj per likva heliumo ĝis 2 K, por produkti specon de superbrila, superrapida lumfonto nomata rentgen-libera elektrona lasero (XFEL). Kemiistoj uzis la potencajn pulsojn de la instrumentoj por fari molekulajn filmojn, kiuj ebligis al ili observi sennombrajn procezojn, kiel ekzemple la formiĝon de kemiaj ligoj kaj la funkciadon de fotosintezaj enzimoj. "En femtosekunda ekbrilo, vi povas vidi atomojn stari senmove, unuopajn atomajn ligojn rompiĝantajn," Leora Dresselhaus-Marais, materialsciencisto kun komunaj postenoj ĉe Universitato Stanford kaj SLAC, diris al C&EN en julio. La ĝisdatigoj al LCLS ankaŭ permesos al sciencistoj pli bone agordi la energiojn de rentgen-radioj kiam la novaj kapabloj fariĝos haveblaj komence de la venonta jaro.

Kredito: SLAC Nacia Akcelila Laboratorio

La rentgen-lasero de la Nacia Akcelila Laboratorio SLAC estas konstruita sur 3-kilometra linia akcelilo en Menlo Park, Kalifornio.

Ĉi-jare, sciencistoj ankaŭ vidis kiom potenca povus esti la longe atendita Kosmoteleskopo James Webb (JWST) por malkaŝi lakemia komplekseco de nia universoNASA kaj ĝiaj partneroj — la Eŭropa Kosma Agentejo, la Kanada Kosma Agentejo, kaj la Scienca Instituto de la Kosmoteleskopo — jam publikigis dekojn da bildoj, de brilaj portretoj de stelaj nebulozoj ĝis la elementaj fingrospuroj de antikvaj galaksioj. La 10 miliardojn da dolaroj valora infraruĝa teleskopo estas ornamita per aroj da sciencaj instrumentoj desegnitaj por esplori la profundan historion de nia universo. Dum jardekoj da kreado, la JWST jam superis la atendojn de siaj inĝenieroj per kaptado de bildo de kirliĝanta galaksio kiel ĝi aperis antaŭ 4,6 miliardoj da jaroj, kompleta kun spektroskopaj signaturoj de oksigeno, neono, kaj aliaj atomoj. Sciencistoj ankaŭ mezuris signaturojn de vaporaj nuboj kaj nebuleto sur ekstersunsistema planedo, provizante datumojn, kiuj povus helpi astrobiologojn serĉi eble loĝeblajn mondojn preter la Tero.