Величезні інструменти розвинули велику хімію у 2022 році Гігантські набори даних і колосальні інструменти допомогли вченим цього року впоратися з хімією у гігантських масштабах

Масивні інструменти розвинули велику хімію у 2022 році

Гігантські набори даних і колосальні інструменти допомогли вченим цього року впоратися з хімією у гігантських масштабах

заАріана Реммель

Авторство: Oak Ridge Leadership Computing Facility в ORNL

Суперкомп’ютер Frontier у Національній лабораторії Оук-Рідж є першим з нового покоління машин, які допоможуть хімікам проводити молекулярне моделювання, складніше, ніж будь-коли раніше.

У 2022 році вчені зробили великі відкриття за допомогою надвеликих інструментів. Спираючись на недавню тенденцію хімічно компетентного штучного інтелекту, дослідники досягли великих успіхів, навчивши комп’ютери передбачати структури білків у безпрецедентному масштабі.У липні компанія DeepMind, що належить Alphabet, опублікувала базу даних зі структурамимайже всі відомі білки—​Понад 200 мільйонів окремих білків із понад 100 мільйонів видів — згідно з прогнозом алгоритму машинного навчання AlphaFold.Потім, у листопаді, технологічна компанія Meta продемонструвала свій прогрес у технології прогнозування білків за допомогою алгоритму ШІ під назвоюESMFold.У дослідженні препринтів, яке ще не було рецензовано, дослідники Meta повідомили, що їхній новий алгоритм не такий точний, як AlphaFold, але швидший.Збільшення швидкості означало, що дослідники могли передбачити 600 мільйонів структур лише за 2 тижні (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Біологи з Медичної школи Університету Вашингтона (UW) допомагаютьрозширити біохімічні можливості комп’ютерів за межі шаблону природинавчаючи машини пропонувати індивідуальні білки з нуля.Девід Бейкер з UW та його команда створили новий інструмент штучного інтелекту, який може проектувати білки шляхом ітераційного вдосконалення простих підказок або заповнення прогалин між вибраними частинами існуючої структури (Наука2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Команда також представила нову програму ProteinMPNN, яка може починати з розроблених 3D-форм і збірок кількох білкових субодиниць, а потім визначати амінокислотні послідовності, необхідні для їх ефективного створення (Наука2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Ці біохімічно підковані алгоритми можуть допомогти вченим у створенні схем штучних білків, які можна використовувати в нових біоматеріалах і фармацевтичних препаратах.

Авторство: Ян С. Хейдон/Інститут дизайну білка UW

Алгоритми машинного навчання допомагають вченим вигадувати нові білки з певними функціями.

Із зростанням амбіцій хіміків-комп’ютерів зростають і комп’ютери, що використовуються для моделювання молекулярного світу.У Національній лабораторії Оук-Рідж (ORNL) хіміки вперше побачили один із найпотужніших суперкомп’ютерів, коли-небудь створених.Ексамасштабний суперкомп’ютер Frontier від ORNL, є однією з перших машин, яка обчислює понад 1 квінтильйон плаваючих операцій за секунду, одиницю обчислювальної арифметики.Ця обчислювальна швидкість приблизно втричі вища, ніж у чинного чемпіона, японського суперкомп’ютера Fugaku.У наступному році ще дві національні лабораторії планують дебютувати екзамасштабні комп’ютери в США.Величезна комп’ютерна потужність цих найсучасніших машин дозволить хімікам симулювати навіть більші молекулярні системи в більш тривалих часових масштабах.Дані, зібрані за допомогою цих моделей, можуть допомогти дослідникам розширити межі можливого в хімії, зменшивши розрив між реакціями в колбі та віртуальним моделюванням, що використовується для їх моделювання.«Ми знаходимося в точці, коли ми можемо почати справді задавати питання про те, чого не вистачає нашим теоретичним методам або моделям, які могли б наблизити нас до того, що експеримент говорить нам про реальність», — Тереза ​​Віндус, хімік-комп’ютер в Айові Державний університет і керівник проекту Exascale Computing Project, повідомили C&EN у вересні.Моделювання, що виконується на комп’ютерах екзамасштабу, може допомогти хімікам винайти нові джерела палива та створити нові стійкі до клімату матеріали.

По всій країні, у Менло-Парку, Каліфорнія, Національна прискорювальна лабораторія SLAC встановлюєSupercool оновлення когерентного джерела світла Linac (LCLS)це могло б дозволити хімікам зазирнути глибше в надшвидкий світ атомів і електронів.Об’єкт побудований на 3-кілометровому лінійному прискорювачі, частини якого охолоджуються рідким гелієм до 2 К, щоб виробляти тип надяскравого, надшвидкого джерела світла, яке називається рентгенівським лазером на вільних електронах (XFEL).Хіміки використовували потужні імпульси інструментів для створення молекулярних фільмів, які дозволили їм спостерігати за безліччю процесів, таких як утворення хімічних зв’язків і робота фотосинтетичних ферментів.«Під час фемтосекундного спалаху ви можете побачити, як атоми стоять на місці, одиночні атомні зв’язки розриваються», — сказала C&EN у липні Леора Дрессельхаус-Маре, науковець із матеріалами, яка спільно працює в Стенфордському університеті та SLAC.Оновлення LCLS також дозволять вченим краще налаштовувати енергію рентгенівського випромінювання, коли нові можливості стануть доступними на початку наступного року.

Авторство: Національна прискорювальна лабораторія SLAC

Рентгенівський лазер SLAC National Accelerator Laboratory побудований на 3-кілометровому лінійному прискорювачі в Менло-Парку, Каліфорнія.

Цього року вчені також побачили, наскільки потужним може бути довгоочікуваний космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) для виявленняхімічна складність нашого Всесвіту.NASA та його партнери — Європейське космічне агентство, Канадське космічне агентство та Науковий інститут космічного телескопа — вже опублікували десятки зображень, від сліпучих портретів зоряних туманностей до елементарних відбитків пальців стародавніх галактик.Інфрачервоний телескоп вартістю 10 мільярдів доларів оснащений наборами наукових інструментів, призначених для дослідження глибокої історії нашого Всесвіту.Розробляючись десятиліттями, JWST вже перевершив очікування своїх інженерів, зробивши зображення кружляючої галактики, як вона з’явилася 4,6 мільярда років тому, разом зі спектроскопічними ознаками кисню, неону та інших атомів.Вчені також виміряли сигнатури парних хмар і серпанку на екзопланеті, надавши дані, які могли б допомогти астробіологам шукати потенційно придатні для життя світи за межами Землі.