Massiivsed tööriistad arendasid 2022. aastal suurt keemiat
Hiiglaslikud andmekogumid ja kolossaalsed instrumendid aitasid teadlastel sel aastal hiiglaslikult keemiaga tegeleda
kõrvalAriana Remmel
Krediit: Oak Ridge Leadership Computing Facility ORNL-is
Oak Ridge'i riiklikus laboris asuv Frontier superarvuti on esimene uue põlvkonna masinatest, mis aitab keemikutel läbi viia molekulaarseid simulatsioone, mis on keerulisemad kui kunagi varem.
Teadlased tegid 2022. aastal suuri avastusi ülisuurte tööriistadega. Tuginedes hiljutisele keemiliselt pädeva tehisintellekti trendile, tegid teadlased suuri edusamme, õpetades arvuteid ennustama valgu struktuure enneolematul skaalal.Juulis avaldas Alphabeti omanduses olev ettevõte DeepMind andmebaasi, mis sisaldab ettevõtte struktuurepeaaegu kõik teadaolevad valgud— 200 miljonit pluss üksikut valku enam kui 100 miljonilt liigilt — nagu ennustas masinõppe algoritm AlphaFold.Seejärel demonstreeris tehnoloogiaettevõte Meta novembris oma edusamme valkude ennustamise tehnoloogia vallas tehisintellekti algoritmiga.ESMFold.Eeltrükiuuringus, mida pole veel eelretsenseeritud, teatasid Meta teadlased, et nende uus algoritm ei ole nii täpne kui AlphaFold, kuid on kiirem.Suurenenud kiirus tähendas, et teadlased suutsid vaid 2 nädalaga ennustada 600 miljonit struktuuri (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Washingtoni ülikooli (UW) meditsiinikooli bioloogid aitavadlaiendada arvutite biokeemilisi võimeid väljaspool looduse malliõpetades masinaid pakkuma nullist eritellimusel valmistatud valke.UW David Baker ja tema meeskond lõid uue tehisintellekti tööriista, mis suudab kujundada valke, täiustades kas iteratiivselt lihtsaid viipasid või täites lüngad olemasoleva struktuuri valitud osade vahel (Teadus2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Meeskond debüteeris ka uue programmi ProteinMPNN, mis võib alustada kavandatud 3D kujunditest ja mitme valgu alaühiku kooslustest ning seejärel määrata nende tõhusaks tegemiseks vajalikud aminohappejärjestused (Teadus2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Need biokeemiliselt nutikad algoritmid võivad aidata teadlastel koostada tehisvalkude plaane, mida saaks kasutada uutes biomaterjalides ja ravimites.
Krediit: Ian C. Haydon / UW valgu disaini instituut
Masinõppe algoritmid aitavad teadlastel unistada uusi valke, pidades silmas konkreetseid funktsioone.
Arvutuskeemikute ambitsioonide kasvades kasvavad ka molekulaarse maailma simuleerimiseks kasutatavad arvutid.Oak Ridge'i riiklikus laboris (ORNL) said keemikud esmapilgul ühe võimsaima superarvuti, mis eales ehitatud.ORNL-i eksaskaalaline superarvuti Frontier, on üks esimesi masinaid, mis arvutab rohkem kui 1 kvintiljoni ujuvatehte sekundis, mis on arvutusliku aritmeetika ühik.See arvutuskiirus on umbes kolm korda suurem kui valitsev meister, superarvuti Fugaku Jaapanis.Järgmisel aastal plaanivad veel kaks riiklikku laboratooriumi debüteerida USA-s eksaskaalaarvuteid.Nende tipptasemel masinate tohutu arvutivõimsus võimaldab keemikutel simuleerida veelgi suuremaid molekulaarsüsteeme ja pikema aja jooksul.Nendest mudelitest kogutud andmed võivad aidata teadlastel nihutada keemia piire, vähendades lõhet kolvis toimuvate reaktsioonide ja nende modelleerimiseks kasutatavate virtuaalsete simulatsioonide vahel."Oleme punktis, kus saame hakata tõeliselt küsima küsimusi selle kohta, mis on meie teoreetilistes meetodites või mudelites puudu, mis viiks meid lähemale sellele, mida eksperiment meile ütleb, et see on tõeline," Iowa arvutuskeemik Theresa Windus. Osariigi ülikool ja projektijuht Exascale Computing Project, ütles C&EN-ile septembris.Eksamastaabis arvutites töötavad simulatsioonid võivad aidata keemikutel leiutada uudseid kütuseallikaid ja kavandada uusi kliimale vastupidavaid materjale.
Üle kogu riigi, Californias Menlo Parkis, paigaldab SLAC riiklik kiirendi laboratooriumsupercool uuendused Linaci koherentsele valgusallikale (LCLS)mis võimaldaks keemikutel sügavamale aatomite ja elektronide ülikiiresse maailma piiluda.Rajatis on ehitatud 3 km pikkusele lineaarsele kiirendile, mille osad jahutatakse vedela heeliumiga temperatuurini 2 K, et toota ülierksat ülikiire valgusallika tüüp, mida nimetatakse röntgenikiirguse vabaelektronlaseriks (XFEL).Keemikud on kasutanud instrumentide võimsaid impulsse molekulaarsete filmide tegemiseks, mis on võimaldanud neil jälgida hulgaliselt protsesse, näiteks keemiliste sidemete moodustumist ja fotosünteesi ensüümide tööle hakkamist."Femtosekundilise välgatusega näete, et aatomid seisavad paigal, üksikud aatomisidemed katkevad," ütles Stanfordi ülikoolis ja SLAC-is ühiselt kokkulepitud materjaliteadlane Leora Dresselhaus-Marais juulis C&EN-ile.LCLS-i versiooniuuendused võimaldavad teadlastel ka röntgenikiirguse energiat paremini häälestada, kui uued võimalused järgmise aasta alguses kättesaadavaks muutuvad.
Krediit: SLAC National Accelerator Laboratory
SLAC National Accelerator Laboratory röntgenlaser on ehitatud Californias Menlo Parkis asuvale 3 km pikkusele lineaarkiirendile.
Sel aastal nägid teadlased ka seda, kui võimas võiks olla kauaoodatud James Webbi kosmoseteleskoop (JWST)meie universumi keemiline keerukus.NASA ja tema partnerid – Euroopa Kosmoseagentuur, Kanada Kosmoseagentuur ja Kosmoseteleskoobi teadusinstituut – on juba avaldanud kümneid pilte, alates täheudude pimestavatest portreedest kuni iidsete galaktikate elementaarsete sõrmejälgedeni.10 miljardi dollari väärtuses infrapunateleskoop on varustatud teaduslike instrumentidega, mis on loodud meie universumi sügava ajaloo uurimiseks.Aastakümneid valminud JWST on juba ületanud oma inseneride ootusi, jäädvustades kujutise keerisevast galaktikast sellisena, nagu see ilmus 4,6 miljardit aastat tagasi, koos hapniku, neooni ja muude aatomite spektroskoopiliste tunnustega.Teadlased mõõtsid eksoplaneedil ka auravate pilvede ja hägu tunnuseid, andes andmeid, mis võiksid aidata astrobioloogidel otsida potentsiaalselt elamiskõlblikke maailmu väljaspool Maad.
Postitusaeg: 07.02.2023