Instrumente masive au avansat chimia în domeniul chimiei în 2022
Seturi gigantice de date și instrumente colosale au ajutat oamenii de știință să abordeze chimia la scară gigantică în acest an
deAriana Remmel
Credit: Centrul de calcul Oak Ridge Leadership din cadrul ORNL
Supercomputerul Frontier de la Laboratorul Național Oak Ridge este primul dintr-o nouă generație de mașini care îi vor ajuta pe chimiști să realizeze simulări moleculare mai complexe ca niciodată.
Oamenii de știință au făcut descoperiri importante cu instrumente supradimensionate în 2022. Bazându-se pe tendința recentă a inteligenței artificiale competente din punct de vedere chimic, cercetătorii au făcut progrese mari, învățând computerele să prezică structurile proteinelor la o scară fără precedent. În iulie, compania DeepMind, deținută de Alphabet, a publicat o bază de date care conține structurile...aproape toate proteinele cunoscute—peste 200 de milioane de proteine individuale din peste 100 de milioane de specii — așa cum a prezis algoritmul de învățare automată AlphaFold. Apoi, în noiembrie, compania de tehnologie Meta și-a demonstrat progresul în tehnologia de predicție a proteinelor cu un algoritm de inteligență artificială numitESMFoldÎntr-un studiu preprint care nu a fost încă evaluat de colegi, cercetătorii Meta au raportat că noul lor algoritm nu este la fel de precis ca AlphaFold, dar este mai rapid. Viteza crescută a însemnat că cercetătorii au putut prezice 600 de milioane de structuri în doar 2 săptămâni (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Biologii de la Facultatea de Medicină a Universității din Washington (UW) ajutăextinde capacitățile biochimice ale computerelor dincolo de șablonul naturiiprin învățarea mașinilor să propună proteine personalizate de la zero. David Baker de la UW și echipa sa au creat un nou instrument de inteligență artificială care poate proiecta proteine fie prin îmbunătățirea iterativă a unor solicitări simple, fie prin completarea golurilor dintre anumite părți ale unei structuri existente (Ştiinţă2022, DOI:10.1126/știință.abn2100Echipa a lansat, de asemenea, un nou program, ProteinMPNN, care poate porni de la forme 3D proiectate și ansambluri ale mai multor subunități proteice și apoi poate determina secvențele de aminoacizi necesare pentru a le crea eficient (Ştiinţă2022, DOI:10.1126/știință.add2187;10.1126/știință.add1964Acești algoritmi perfecționați din punct de vedere biochimic ar putea ajuta oamenii de știință să construiască planuri pentru proteine artificiale care ar putea fi utilizate în noi biomateriale și produse farmaceutice.
Credit: Ian C. Haydon/Institutul UW pentru Designul Proteinelor
Algoritmii de învățare automată îi ajută pe oamenii de știință să conceapă noi proteine având în minte funcții specifice.
Pe măsură ce ambițiile chimiștilor computaționali cresc, cresc și computerele folosite pentru a simula lumea moleculară. La Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL), chimiștii au avut o primă privire asupra unuia dintre cele mai puternice supercomputere construite vreodată.Supercomputerul exascale al ORNL, Frontier, este printre primele mașini care calculează mai mult de 1 cvintilion de operații plutitoare pe secundă, o unitate de aritmetică computațională. Această viteză de calcul este de aproximativ trei ori mai rapidă decât cea a campionului en-titre, supercomputerul Fugaku din Japonia. În anul următor, alte două laboratoare naționale intenționează să lanseze computere exascale în SUA. Puterea de calcul supradimensionată a acestor mașini de ultimă generație va permite chimiștilor să simuleze sisteme moleculare și mai mari și pe intervale de timp mai lungi. Datele colectate din aceste modele ar putea ajuta cercetătorii să depășească limitele posibilului în chimie prin reducerea decalajului dintre reacțiile dintr-un balon și simulările virtuale utilizate pentru a le modela. „Suntem într-un punct în care putem începe să ne punem cu adevărat întrebări despre ce lipsește din metodele sau modelele noastre teoretice care ne-ar apropia de ceea ce ne spune un experiment că este real”, a declarat pentru C&EN în septembrie Theresa Windus, chimist computațional la Universitatea de Stat din Iowa și coordonator de proiect în cadrul Proiectului de Calcul Exascale. Simulările rulate pe computere exascale ar putea ajuta chimiștii să inventeze noi surse de combustibil și să proiecteze noi materiale rezistente la schimbările climatice.
În toată țara, în Menlo Park, California, Laboratorul Național de Accelerare SLAC instalează...upgrade-uri super cool la sursa de lumină coerentă a linacului (LCLS)care ar putea permite chimiștilor să pătrundă mai adânc în lumea ultrarapidă a atomilor și electronilor. Instalația este construită pe un accelerator liniar de 3 km, ale cărui părți sunt răcite cu heliu lichid până la 2 K, pentru a produce un tip de sursă de lumină super-strălucitoare și super-rapidă numită laser cu electroni liberi cu raze X (XFEL). Chimiștii au folosit impulsurile puternice ale instrumentelor pentru a realiza filme moleculare care le-au permis să urmărească nenumărate procese, cum ar fi formarea legăturilor chimice și funcționarea enzimelor fotosintetice. „Într-o bliț de femtosecundă, puteți vedea atomii stând nemișcați, legăturile atomice individuale rupându-se”, a declarat pentru C&EN în iulie Leora Dresselhaus-Marais, specialist în materiale cu funcții comune la Universitatea Stanford și SLAC. Modernizările LCLS vor permite, de asemenea, oamenilor de știință să regleze mai bine energiile razelor X atunci când noile capabilități vor fi disponibile la începutul anului viitor.
Credit: Laboratorul Național de Accelerare SLAC
Laserul cu raze X al Laboratorului Național de Accelerare SLAC este construit pe un accelerator liniar de 3 km din Menlo Park, California.
Anul acesta, oamenii de știință au văzut și cât de puternic ar putea fi mult așteptatul Telescop Spațial James Webb (JWST) pentru a dezvălui...complexitatea chimică a universului nostruNASA și partenerii săi - Agenția Spațială Europeană, Agenția Spațială Canadiană și Institutul de Știință al Telescopului Spațial - au publicat deja zeci de imagini, de la portrete uimitoare ale nebuloaselor stelare până la amprentele elementare ale galaxiilor antice. Telescopul în infraroșu, în valoare de 10 miliarde de dolari, este echipat cu o serie de instrumente științifice concepute pentru a explora istoria profundă a universului nostru. După decenii de dezvoltare, JWST a depășit deja așteptările inginerilor săi, surprinzând o imagine a unei galaxii în vârtej așa cum apărea acum 4,6 miliarde de ani, completă cu semnături spectroscopice de oxigen, neon și alți atomi. Oamenii de știință au măsurat, de asemenea, semnăturile norilor aburitori și ale ceții de pe o exoplanetă, furnizând date care ar putea ajuta astrobiologii să caute lumi potențial locuibile dincolo de Pământ.
Data publicării: 07 februarie 2023