Masivni alati unaprijedili su veliku kemiju 2022. Gigantski skupovi podataka i kolosalni instrumenti pomogli su znanstvenicima da se ove godine pozabave kemijom golemih razmjera

Masivni alati unaprijedili su veliku kemiju 2022

Gigantski skupovi podataka i kolosalni instrumenti pomogli su znanstvenicima da se ove godine pozabave kemijom golemih razmjera

poAriana Remmel

Zasluge: Oak Ridge Leadership Computing Facility na ORNL-u

Superračunalo Frontier u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge prvo je od nove generacije strojeva koji će pomoći kemičarima u molekularnim simulacijama koje su složenije nego ikad prije.

Znanstvenici su 2022. došli do velikih otkrića pomoću velikih alata. Nadovezujući se na nedavni trend kemijski kompetentne umjetne inteligencije, istraživači su napravili velike korake, naučivši računala da predviđaju strukture proteina u dosad neviđenim razmjerima.U srpnju je tvrtka DeepMind u vlasništvu Alphabeta objavila bazu podataka koja sadrži strukturegotovo svi poznati proteini—​više od 200 milijuna pojedinačnih proteina iz više od 100 milijuna vrsta — kako predviđa algoritam strojnog učenja AlphaFold.Zatim je u studenom tehnološka tvrtka Meta demonstrirala svoj napredak u tehnologiji predviđanja proteina s AI algoritmom tzv.ESMFold.U studiji prije ispisa koja još nije recenzirana, istraživači Mete izvijestili su da njihov novi algoritam nije tako precizan kao AlphaFold, ali je brži.Povećana brzina značila je da su istraživači mogli predvidjeti 600 milijuna struktura u samo 2 tjedna (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Biolozi s Medicinskog fakulteta Sveučilišta Washington (UW) pomažuproširiti biokemijske sposobnosti računala izvan prirodnog predloškapodučavajući strojeve da ispočetka predlažu proteine ​​po narudžbi.David Baker s UW-a i njegov tim stvorili su novi AI alat koji može dizajnirati proteine ​​iterativnim poboljšanjem jednostavnih upita ili popunjavanjem praznina između odabranih dijelova postojeće strukture (Znanost2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Tim je također debitirao s novim programom, ProteinMPNN, koji može započeti s dizajniranim 3D oblicima i sklopovima više proteinskih podjedinica, a zatim odrediti sekvence aminokiselina potrebne za njihovu učinkovitu izradu (Znanost2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Ovi biokemijski pametni algoritmi mogli bi pomoći znanstvenicima u izradi nacrta za umjetne proteine ​​koji bi se mogli koristiti u novim biomaterijalima i lijekovima.

Zasluge: Ian C. Haydon/UW Institut za dizajn proteina

Algoritmi strojnog učenja pomažu znanstvenicima da osmisle nove proteine ​​s određenim funkcijama na umu.

Kako rastu ambicije računalnih kemičara, rastu i računala koja se koriste za simulaciju molekularnog svijeta.U Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge (ORNL), kemičari su prvi put vidjeli jedno od najmoćnijih superračunala ikad napravljenih.ORNL-ovo exascale superračunalo, Frontier, među prvim je strojevima koji izračunavaju više od 1 kvintilijuna plutajućih operacija u sekundi, što je jedinica računalne aritmetike.Ta je računalna brzina otprilike tri puta brža od trenutnog prvaka, superračunala Fugaku iz Japana.Sljedeće godine još dva nacionalna laboratorija planiraju debitirati s računalima u eksarazmjerima u SAD-u.Izuzetna računalna snaga ovih vrhunskih strojeva omogućit će kemičarima da simuliraju čak i veće molekularne sustave i na dužim vremenskim razdobljima.Podaci prikupljeni iz tih modela mogli bi pomoći istraživačima da pomaknu granice onoga što je moguće u kemiji smanjivanjem jaza između reakcija u tikvici i virtualnih simulacija korištenih za njihovo modeliranje."Nalazimo se u točki u kojoj možemo početi stvarno postavljati pitanja o tome što je to što nedostaje našim teorijskim metodama ili modelima koji bi nas približili onome što nam eksperiment govori da je stvarno", Theresa Windus, računalna kemičarka u Iowi Državno sveučilište i voditelj projekta Exascale Computing Project, rekli su za C&EN u rujnu.Simulacije koje se izvode na exascale računalima mogle bi pomoći kemičarima da izmisle nove izvore goriva i dizajniraju nove materijale otporne na klimu.

Diljem zemlje, u Menlo Parku u Kaliforniji, Nacionalni akceleratorski laboratorij SLAC instalirasupercool nadogradnje na Linac koherentni izvor svjetlosti (LCLS)to bi moglo omogućiti kemičarima da zavire dublje u ultrabrzi svijet atoma i elektrona.Postrojenje je izgrađeno na linearnom akceleratoru od 3 km, čiji se dijelovi hlade tekućim helijem do 2 K, kako bi se proizveo tip supersvijetlog, superbrzog izvora svjetlosti koji se naziva laser slobodnih elektrona X-zraka (XFEL).Kemičari su koristili snažne pulseve instrumenata za izradu molekularnih filmova koji su im omogućili promatranje bezbrojnih procesa, poput stvaranja kemijskih veza i rada fotosintetskih enzima.“U bljesku femtosekunde možete vidjeti kako atomi miruju, pojedinačne atomske veze se kidaju,” rekla je Leora Dresselhaus-Marais, znanstvenica za materijale sa zajedničkim angažmanima na Sveučilištu Stanford i SLAC, za C&EN u srpnju.Nadogradnje LCLS-a također će omogućiti znanstvenicima da bolje usklade energiju X-zraka kada nove mogućnosti postanu dostupne početkom sljedeće godine.

Zasluge: Nacionalni akceleratorski laboratorij SLAC

Rendgenski laser SLAC National Accelerator Laboratory izgrađen je na linearnom akceleratoru od 3 km u Menlo Parku u Kaliforniji.

Ove su godine znanstvenici također vidjeli koliko bi moćan mogao biti dugoočekivani svemirski teleskop James Webb (JWST) za otkrivanjekemijska složenost našeg svemira.NASA i njezini partneri — Europska svemirska agencija, Kanadska svemirska agencija i Znanstveni institut za svemirski teleskop — već su objavili desetke slika, od blistavih portreta zvjezdanih maglica do elementarnih otisaka prstiju drevnih galaksija.Infracrveni teleskop vrijedan 10 milijardi dolara opremljen je nizom znanstvenih instrumenata dizajniranih za istraživanje duboke povijesti našeg svemira.U izradi desetljećima, JWST je već nadmašio očekivanja svojih inženjera snimivši sliku vrtložne galaksije kakva se pojavila prije 4,6 milijardi godina, zajedno sa spektroskopskim potpisima kisika, neona i drugih atoma.Znanstvenici su također mjerili tragove sparnih oblaka i izmaglice na egzoplanetu, dajući podatke koji bi mogli pomoći astrobiolozima u potrazi za potencijalno nastanjivim svjetovima izvan Zemlje.