Masivni alati unaprijedili su veliku hemiju u 2022. godini. Gigantski skupovi podataka i kolosalni instrumenti pomogli su naučnicima da se ove godine pozabave hemijom u gigantskim razmjerima.

Masivni alati su unaprijedili veliku hemiju u 2022. godini

Gigantski skupovi podataka i kolosalni instrumenti pomogli su naučnicima da se ove godine pozabave hemijom u ogromnim razmjerima.

odAriana Remmel

Zasluge: Oak Ridge Leadership Computing Facility u ORNL-u

Superračunar Frontier u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge prvi je iz nove generacije mašina koje će pomoći hemičarima da se bave molekularnim simulacijama koje su složenije nego ikad prije.

Naučnici su 2022. godine napravili velika otkrića uz pomoć ogromnih alata. Nadovezujući se na nedavni trend hemijski kompetentne vještačke inteligencije, istraživači su napravili veliki napredak, učeći računare da predviđaju strukture proteina u neviđenim razmjerima. U julu je kompanija DeepMind, u vlasništvu Alphabeta, objavila bazu podataka koja sadrži strukture...gotovo svi poznati proteini—​Više od 200 miliona pojedinačnih proteina iz preko 100 miliona vrsta — kako je predvidio algoritam mašinskog učenja AlphaFold. Zatim je u novembru tehnološka kompanija Meta demonstrirala svoj napredak u tehnologiji predviđanja proteina pomoću algoritma umjetne inteligencije pod nazivomESMFoldU studiji prije štampanja koja još nije recenzirana, istraživači Mete su izvijestili da njihov novi algoritam nije toliko tačan kao AlphaFold, ali je brži. Povećana brzina značila je da su istraživači mogli predvidjeti 600 miliona struktura za samo 2 sedmice (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Biolozi sa Medicinskog fakulteta Univerziteta u Washingtonu (UW) pomažuproširiti biohemijske mogućnosti računara izvan prirodnog obrascaučeći mašine da predlažu prilagođene proteine ​​od nule. David Baker sa Univerziteta Wisconsin i njegov tim stvorili su novi alat umjetne inteligencije koji može dizajnirati proteine ​​iterativnim poboljšanjem jednostavnih uputa ili popunjavanjem praznina između odabranih dijelova postojeće strukture (Nauka2022, DOI:10.1126/science.abn2100). Tim je također predstavio novi program, ProteinMPNN, koji može početi od dizajniranih 3D oblika i sklopova više proteinskih podjedinica, a zatim odrediti aminokiselinske sekvence potrebne za njihovu efikasnu izradu (Nauka2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964Ovi biohemijski napredni algoritmi mogli bi pomoći naučnicima u izgradnji nacrta za vještačke proteine ​​koji bi se mogli koristiti u novim biomaterijalima i farmaceutskim proizvodima.

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

Algoritmi mašinskog učenja pomažu naučnicima da osmisle nove proteine ​​imajući na umu specifične funkcije.

Kako rastu ambicije računarskih hemičara, rastu i računari koji se koriste za simuliranje molekularnog svijeta. U Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge (ORNL), hemičari su prvi put imali priliku vidjeti jedan od najmoćnijih superračunara ikada napravljenih.ORNL-ov egzaskalni superračunar, Frontier, je među prvim mašinama koje izračunavaju više od 1 kvintiliona lebdećih operacija u sekundi, što je jedinica računarske aritmetike. Ta brzina računanja je oko tri puta veća od brzine aktuelnog šampiona, superračunara Fugaku u Japanu. U narednoj godini, još dvije nacionalne laboratorije planiraju da predstave egzaskalne računare u SAD-u. Ogromna računarska snaga ovih najsavremenijih mašina omogućit će hemičarima da simuliraju još veće molekularne sisteme i na dužim vremenskim skalama. Podaci prikupljeni iz tih modela mogli bi pomoći istraživačima da pomjere granice onoga što je moguće u hemiji smanjenjem jaza između reakcija u tikvici i virtuelnih simulacija koje se koriste za njihovo modeliranje. „Došli smo do tačke u kojoj možemo početi zaista postavljati pitanja o tome šta nedostaje našim teorijskim metodama ili modelima što bi nas približilo onome što nam eksperiment govori da je stvarno“, rekla je Theresa Windus, računarska hemičarka na Državnom univerzitetu Iowa i voditeljica projekta Exascale Computing Project, za C&EN u septembru. Simulacije pokrenute na egzaskalnim računarima mogle bi pomoći hemičarima da izume nove izvore goriva i dizajniraju nove materijale otporne na klimu.

Širom zemlje, u Menlo Parku u Kaliforniji, Nacionalna laboratorija za akceleratore SLAC instaliraSuperkul nadogradnje za Linac koherentni izvor svjetlosti (LCLS)To bi moglo omogućiti hemičarima da dublje zavire u ultrabrzi svijet atoma i elektrona. Postrojenje je izgrađeno na linearnom akceleratoru od 3 km, čiji se dijelovi hlade tekućim helijumom do 2 K, kako bi se proizvela vrsta supersjajnog, superbrzog izvora svjetlosti koji se naziva rendgenski laser sa slobodnim elektronima (XFEL). Hemičari su koristili snažne impulse instrumenata za pravljenje molekularnih filmova koji su im omogućili da posmatraju bezbroj procesa, poput formiranja hemijskih veza i rada fotosintetskih enzima. „U femtosekundnom bljesku možete vidjeti atome kako stoje, kako se pojedinačne atomske veze prekidaju“, rekla je Leora Dresselhaus-Marais, naučnica za materijale sa zajedničkim imenovanjima na Univerzitetu Stanford i SLAC, za C&EN u julu. Nadogradnje LCLS-a će također omogućiti naučnicima da bolje podese energije rendgenskih zraka kada nove mogućnosti postanu dostupne početkom sljedeće godine.

Zasluge: SLAC Nacionalna laboratorija za akceleratore

Rendgenski laser Nacionalne akceleratorske laboratorije SLAC izgrađen je na linearnom akceleratoru od 3 km u Menlo Parku u Kaliforniji.

Ove godine, naučnici su također vidjeli koliko bi dugo očekivani svemirski teleskop James Webb (JWST) mogao biti moćan za otkrivanjeHemijska složenost našeg svemiraNASA i njeni partneri - Evropska svemirska agencija, Kanadska svemirska agencija i Institut za nauku o svemirskom teleskopu - već su objavili desetine slika, od blistavih portreta zvjezdanih maglina do elementarnih otisaka prstiju drevnih galaksija. Infracrveni teleskop vrijedan 10 milijardi dolara opremljen je nizom naučnih instrumenata dizajniranih za istraživanje duboke historije našeg svemira. Decenijama u nastajanju, JWST je već nadmašio očekivanja svojih inženjera snimivši sliku vrtložne galaksije kakva je izgledala prije 4,6 milijardi godina, zajedno sa spektroskopskim potpisima kisika, neona i drugih atoma. Naučnici su također izmjerili potpise parnih oblaka i izmaglice na egzoplaneti, pružajući podatke koji bi mogli pomoći astrobiolozima u potrazi za potencijalno nastanjivim svjetovima izvan Zemlje.