Massiewe gereedskap het groot chemie in 2022 gevorder. Gigantiese datastelle en kolossale instrumente het wetenskaplikes gehelp om hierdie jaar chemie op 'n reuseskaal aan te pak

Massiewe gereedskap het groot chemie in 2022 gevorder

Gigantiese datastelle en kolossale instrumente het wetenskaplikes gehelp om hierdie jaar chemie op 'n reuseskaal aan te pak

deurAriana Remmel

Krediet: Oak Ridge Leadership Computing Facility by ORNL

Die Frontier-superrekenaar by Oak Ridge National Laboratory is die eerste van 'n nuwe generasie masjiene wat chemici sal help om molekulêre simulasies aan te pak wat meer kompleks is as ooit tevore.

Wetenskaplikes het groot ontdekkings gemaak met supergrootte gereedskap in 2022. Voortbou op die onlangse neiging van chemies bekwame kunsmatige intelligensie, het navorsers groot vordering gemaak deur rekenaars te leer om proteïenstrukture op 'n ongekende skaal te voorspel.In Julie het Alphabet-besit maatskappy DeepMind 'n databasis gepubliseer wat die strukture vanbyna alle bekende proteïene—​200 miljoen plus individuele proteïene van meer as 100 miljoen spesies—soos voorspel deur die masjienleeralgoritme AlphaFold.Toe, in November, het die tegnologiemaatskappy Meta sy vordering in proteïenvoorspellingstegnologie gedemonstreer met 'n AI-algoritme genaamdESMFvou.In 'n voordrukstudie wat nog nie eweknie-geëvalueer is nie, het Meta-navorsers berig dat hul nuwe algoritme nie so akkuraat soos AlphaFold is nie, maar vinniger is.Die verhoogde spoed het beteken dat die navorsers 600 miljoen strukture in net 2 weke kon voorspel (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Bioloë by die Universiteit van Washington (UW) Skool vir Geneeskunde helpbrei rekenaars se biochemiese vermoëns verder as die natuur se sjabloon uitdeur masjiene te leer om pasgemaakte proteïene van nuuts af voor te stel.UW se David Baker en sy span het 'n nuwe KI-instrument geskep wat proteïene kan ontwerp deur óf iteratief te verbeter op eenvoudige aanwysings óf deur die gapings tussen geselekteerde dele van 'n bestaande struktuur in te vul (Wetenskap2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Die span het ook 'n nuwe program, ProteinMPNN, gedebuteer wat kan begin met ontwerpte 3D-vorms en samestellings van veelvuldige proteïensubeenhede en dan die aminosuurvolgorde bepaal wat nodig is om hulle doeltreffend te maak (Wetenskap2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Hierdie biochemies vaardige algoritmes kan wetenskaplikes help met die bou van bloudrukke vir kunsmatige proteïene wat in nuwe biomateriale en farmaseutiese produkte gebruik kan word.

Krediet: Ian C. Haydon/UW Instituut vir Proteïenontwerp

Masjienleeralgoritmes help wetenskaplikes om nuwe proteïene uit te dink met spesifieke funksies in gedagte.

Soos rekenkundige chemici se ambisies groei, groei ook die rekenaars wat gebruik word om die molekulêre wêreld te simuleer.By Oak Ridge National Laboratory (ORNL) het chemici 'n eerste blik gekry op een van die kragtigste superrekenaars wat ooit gebou is.ORNL se exascale superrekenaar, Frontier, is een van die eerste masjiene om meer as 1 kwintiljoen drywende bewerkings per sekonde te bereken, 'n eenheid van rekenkundige rekenkunde.Dié rekenaarspoed is omtrent drie keer so vinnig as die heersende kampioen, die superrekenaar Fugaku in Japan.In die volgende jaar beplan nog twee nasionale laboratoriums om exascale rekenaars in die VSA te debuteer.Die groot rekenaarkrag van hierdie moderne masjiene sal chemici in staat stel om selfs groter molekulêre stelsels en op langer tydskale te simuleer.Die data wat van daardie modelle ingesamel is, kan navorsers help om die grense van wat moontlik is in chemie te verskuif deur die gaping tussen die reaksies in 'n fles en die virtuele simulasies wat gebruik word om dit te modelleer, te verklein."Ons is op 'n punt waar ons regtig vrae kan begin vra oor wat dit is wat uit ons teoretiese metodes of modelle ontbreek wat ons nader sal bring aan wat 'n eksperiment vir ons sê werklik is," Theresa Windus, 'n berekeningskemikus by Iowa State University en projekleier met die Exascale Computing Project, het in September aan C&EN gesê.Simulasies wat op exascale-rekenaars uitgevoer word, kan chemici help om nuwe brandstofbronne uit te vind en nuwe klimaatbestande materiale te ontwerp.

Regoor die land, in Menlo Park, Kalifornië, word die SLAC National Accelerator Laboratory geïnstalleersupercool opgraderings na die Linac Coherent Light Source (LCLS)wat chemici kan toelaat om dieper in die ultravinnige wêreld van atome en elektrone te loer.Die fasiliteit is gebou op 'n 3 km lineêre versneller, waarvan dele met vloeibare helium afgekoel word tot 2 K, om 'n tipe superhelder, supervinnige ligbron te produseer wat 'n X-straal vry-elektron laser (XFEL) genoem word.Chemici het die instrumente se kragtige pulse gebruik om molekulêre flieks te maak wat hulle in staat gestel het om talle prosesse te kyk, soos chemiese bindings wat vorm en fotosintetiese ensieme wat werk."In 'n femtosekonde-flits kan jy sien hoe atome stilstaan, enkele atoombindings breek," het Leora Dresselhaus-Marais, 'n materiaalwetenskaplike met gesamentlike aanstellings by Stanford Universiteit en SLAC, in Julie aan C&EN gesê.Die opgraderings na LCLS sal wetenskaplikes ook in staat stel om die energie van X-strale beter in te stel wanneer die nuwe vermoëns vroeg volgende jaar beskikbaar word.

Krediet: SLAC National Accelerator Laboratory

SLAC National Accelerator Laboratory se X-straal laser is gebou op 'n 3 km lineêre versneller in Menlo Park, Kalifornië.

Hierdie jaar het wetenskaplikes ook gesien hoe kragtig die langverwagte James Webb-ruimteteleskoop (JWST) kan wees om diechemiese kompleksiteit van ons heelal.NASA en sy vennote - die Europese Ruimte-agentskap, die Kanadese Ruimte-agentskap en die Space Telescope Science Institute - het reeds tientalle beelde vrygestel, van skitterende portrette van sternewels tot die elementêre vingerafdrukke van antieke sterrestelsels.Die $10 miljard infrarooi teleskoop is versier met reekse wetenskaplike instrumente wat ontwerp is om die diep geskiedenis van ons heelal te verken.Dekades in wording het die JWST reeds die verwagtinge van sy ingenieurs oortref deur 'n beeld te neem van 'n kolkende sterrestelsel soos dit 4,6 miljard jaar gelede verskyn het, kompleet met spektroskopiese handtekeninge van suurstof, neon en ander atome.Wetenskaplikes het ook tekens van stomende wolke en waas op 'n eksoplaneet gemeet, wat data verskaf wat astrobioloë kan help om na potensieel bewoonbare wêrelde anderkant die aarde te soek.