Massiivsed tööriistad edendasid suurt keemiat 2022. aastal. Hiiglaslikud andmekogumid ja kolossaalsed instrumendid aitasid teadlastel sel aastal keemiaga hiiglaslikus mastaabis tegeleda.

Massiivsed tööriistad arendasid suurt keemiat 2022. aastal

Hiiglaslikud andmekogumid ja kolossaalsed instrumendid aitasid teadlastel sel aastal keemiaga hiiglaslikul skaalal tegeleda

kõrvalAriana Remmel

Allikas: Oak Ridge'i juhtimisarvutuskeskus ORNL-is

Oak Ridge'i riikliku labori Frontieri superarvuti on esimene uue põlvkonna masinatest, mis aitab keemikutel läbi viia molekulaarseid simulatsioone, mis on keerukamad kui kunagi varem.

Teadlased tegid 2022. aastal ülisuurte tööriistade abil suuri avastusi. Tuginedes keemiliselt pädeva tehisintellekti hiljutisele trendile, tegid teadlased suuri edusamme, õpetades arvuteid ennustama valgu struktuure enneolematus ulatuses. Juulis avaldas Alphabeti omanduses olev ettevõte DeepMind andmebaasi, mis sisaldas struktuurepeaaegu kõik teadaolevad valgud—​Üle 200 miljoni üksiku valgu enam kui 100 miljonilt liigilt — nagu ennustas masinõppe algoritm AlphaFold. Seejärel, novembris, demonstreeris tehnoloogiaettevõte Meta oma edusamme valkude ennustamise tehnoloogias tehisintellekti algoritmi nimegaESMFoldEelretsenseerimata uuringus teatasid Meta teadlased, et nende uus algoritm pole nii täpne kui AlphaFold, kuid on kiirem. Suurem kiirus tähendas, et teadlased suutsid ennustada 600 miljonit struktuuri vaid kahe nädalaga (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Washingtoni Ülikooli (UW) Meditsiinikooli bioloogid aitavadlaiendada arvutite biokeemilisi võimeid looduse mallist kaugemaleõpetades masinaid nullist alates pakkuma välja eritellimusel valmistatud valke. UW David Baker ja tema meeskond lõid uue tehisintellekti tööriista, mis saab valke kujundada kas lihtsate käskude iteratiivse täiustamise või olemasoleva struktuuri valitud osade vaheliste lünkade täitmise teel (Teadus2022, DOI:10.1126/teadus.abn2100). Meeskond debüteeris ka uue programmi ProteinMPNN, mis saab lähtuda mitme valgu allüksuse kavandatud 3D-kujunditest ja kooslustest ning seejärel määrata nende tõhusaks valmistamiseks vajalikud aminohappejärjestused (Teadus2022, DOI:10.1126/teadus.add2187;10.1126/teadus.add1964). Need biokeemiliselt nutikad algoritmid võiksid aidata teadlastel luua tehisvalkude kavandeid, mida saaks kasutada uutes biomaterjalides ja ravimites.

Allikas: Ian C. Haydon/UW Valgudisaini Instituut

Masinõppe algoritmid aitavad teadlastel välja mõelda uusi valke, millel on konkreetsed funktsioonid.

Arvutuskeemikute ambitsioonide kasvades kasvavad ka molekulaarmaailma simuleerimiseks kasutatavad arvutid. Oak Ridge'i riiklikus laboris (ORNL) said keemikud esmakordselt pilgu heita ühele võimsaimale eales ehitatud superarvutile.ORNL-i eksaskaala superarvuti Frontier, on üks esimesi masinaid, mis arvutab rohkem kui 1 kvintiljon ujukomahutit sekundis, mis on arvutusaritmeetika ühik. See arvutuskiirus on umbes kolm korda kiirem kui valitseval meistril, Jaapani superarvutil Fugakul. Järgmisel aastal plaanivad veel kaks riiklikku laborit USA-s eksaskaalaarvutite turule toomise. Nende tipptasemel masinate tohutu arvutusvõimsus võimaldab keemikutel simuleerida veelgi suuremaid molekulaarsüsteeme ja pikema aja jooksul. Nendest mudelitest kogutud andmed võivad aidata teadlastel nihutada keemia võimaluste piire, vähendades lõhet kolvis toimuvate reaktsioonide ja nende modelleerimiseks kasutatavate virtuaalsete simulatsioonide vahel. „Oleme jõudnud punkti, kus saame hakata tõeliselt esitama küsimusi selle kohta, mis meie teoreetilistest meetoditest või mudelitest puudu on, mis viiks meid lähemale sellele, mida eksperiment meile reaalsuseks ütleb,“ ütles Theresa Windus, Iowa Osariigi Ülikooli arvutuskeemik ja Exascale Computing Projecti projektijuht, septembris C&EN-ile. Eksaskaalaarvutitel töötavad simulatsioonid võivad aidata keemikutel leiutada uusi kütuseallikaid ja kujundada uusi kliimamuutustele vastupidavaid materjale.

Üle kogu riigi, Menlo Parkis Californias, paigaldab SLAC National Accelerator LaboratoryLinac koherentse valgusallika (LCLS) ülilahedad uuendusedmis võimaldaks keemikutel piiluda sügavamale aatomite ja elektronide ülikiire maailma. Rajatis on ehitatud 3 km lineaarkiirendile, mille osad jahutatakse vedela heeliumiga temperatuurini 2 K, et toota ülieredat ja ülikiire valgusallikat, mida nimetatakse röntgenvabade elektronide laseriks (XFEL). Keemikud on kasutanud instrumentide võimsaid impulsse molekulaarfilmide tegemiseks, mis on võimaldanud neil jälgida lugematuid protsesse, nagu keemiliste sidemete moodustumine ja fotosünteesi ensüümide tööle hakkamine. „Femtosekundilise välgatusega näete aatomeid seismas, üksikuid aatomisidemeid purunemas,“ ütles C&EN-ile juulis Leora Dresselhaus-Marais, materjaliteadlane, kellel on ühised ametikohad Stanfordi ülikoolis ja SLAC-is. LCLS-i uuendused võimaldavad teadlastel ka röntgenkiirte energiaid paremini häälestada, kui uued võimalused järgmise aasta alguses kättesaadavaks saavad.

Allikas: SLAC riiklik kiirendilabor

SLAC National Accelerator Laboratory röntgenlaser on ehitatud 3 km lineaarkiirendile Menlo Parkis Californias.

Sel aastal nägid teadlased ka seda, kui võimas võib olla kauaoodatud James Webbi kosmoseteleskoop (JWST) selle paljastamisel.Meie universumi keemiline keerukusNASA ja selle partnerid – Euroopa Kosmoseagentuur, Kanada Kosmoseagentuur ja Kosmoseteleskoobi Teadusinstituut – on juba avaldanud kümneid pilte, alates säravatest portreedest täheudukogudest kuni iidsete galaktikate elementaarsete sõrmejälgedeni. 10 miljardi dollari suurune infrapunateleskoop on varustatud teadusinstrumentide komplektiga, mis on loodud meie universumi sügava ajaloo uurimiseks. Aastakümneid kestnud JWST on juba oma inseneride ootusi ületanud, jäädvustades pildi keerlevast galaktikast sellisena, nagu see välja nägi 4,6 miljardit aastat tagasi, koos hapniku, neooni ja teiste aatomite spektroskoopiliste signatuuridega. Teadlased mõõtsid ka auruvate pilvede ja udu signatuure eksoplaneedil, pakkudes andmeid, mis aitaksid astrobioloogidel otsida potentsiaalselt elamiskõlblikke maailmu väljaspool Maad.