Масіўныя інструменты прасунулі вялікую хімію ў 2022 годзе
Гіганцкія наборы дадзеных і каласальныя прыборы дапамаглі навукоўцам у гэтым годзе заняцца хіміяй у гіганцкіх маштабах.
паАрыяна Рэмель
Крыніца: Вылічальны цэнтр лідарстваў Оўк-Рыдж у ORNL
Суперкамп'ютар Frontier у Нацыянальнай лабараторыі Оўк-Рыдж — першы з новага пакалення машын, якія дапамогуць хімікам выконваць малекулярныя мадэляванні, больш складаныя, чым калі-небудзь раней.
У 2022 годзе навукоўцы зрабілі вялікія адкрыцці з дапамогай звышмагутных інструментаў. Абапіраючыся на нядаўнюю тэндэнцыю хімічна кампетэнтнага штучнага інтэлекту, даследчыкі дасягнулі вялікіх поспехаў, навучыўшы кампутары прадказваць структуры бялкоў у беспрэцэдэнтных маштабах. У ліпені кампанія DeepMind, якая належыць Alphabet, апублікавала базу дадзеных, якая змяшчае структурыамаль усе вядомыя бялкі— больш за 200 мільёнаў асобных бялкоў з больш чым 100 мільёнаў відаў — як прадказаў алгарытм машыннага навучання AlphaFold. Затым, у лістападзе, тэхналагічная кампанія Meta прадэманстравала свой прагрэс у тэхналогіі прагназавання бялкоў з дапамогай алгарытму штучнага інтэлекту пад назвайESMFoldУ даследаванні, апублікаваным у прэпрынце, якое яшчэ не прайшло рэцэнзавання, даследчыкі Meta паведамілі, што іх новы алгарытм не такі дакладны, як AlphaFold, але хутчэйшы. Павышаная хуткасць азначала, што даследчыкі змаглі прадказаць 600 мільёнаў структур усяго за 2 тыдні (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Біёлагі з медыцынскай школы Універсітэта Вашынгтона (UW) дапамагаюцьпашырыць біяхімічныя магчымасці кампутараў за межы прыроднага шаблонунавучаючы машыны прапаноўваць спецыяльныя бялкі з нуля. Дэвід Бэйкер з Універсітэта Вашынгтона і яго каманда стварылі новы інструмент штучнага інтэлекту, які можа распрацоўваць бялкі шляхам ітэратыўнага ўдасканалення простых падказак або запаўнення прабелаў паміж выбранымі часткамі існуючай структуры (Навука2022, DOI:10.1126/science.abn2100Каманда таксама прадставіла новую праграму пад назвай ProteinMPNN, якая можа пачынаць з распрацаваных трохмерных формаў і зборак некалькіх бялковых субадзінак, а затым вызначаць амінакіслотныя паслядоўнасці, неабходныя для іх эфектыўнага стварэння (Навука2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964Гэтыя біяхімічна дасканалыя алгарытмы могуць дапамагчы навукоўцам у стварэнні чарцяжоў для штучных бялкоў, якія можна было б выкарыстоўваць у новых біяматэрыялах і фармацэўтычных прэпаратах.
Крыніца: Ян К. Хэйдан/Інстытут дызайну бялкоў Універсітэта Вашынгтона
Алгарытмы машыннага навучання дапамагаюць навукоўцам прыдумляць новыя бялкі з улікам пэўных функцый.
Па меры росту амбіцый хімікаў-вылічальнікаў растуць і камп'ютары, якія выкарыстоўваюцца для мадэлявання малекулярнага свету. У Оўк-Рыджскай нацыянальнай лабараторыі (ORNL) хімікі ўпершыню пазнаёміліся з адным з самых магутных суперкамп'ютараў, калі-небудзь створаных.Эксафлопсны суперкамп'ютар ORNL пад назвай Frontier, з'яўляецца адной з першых машын, якія вылічваюць больш за 1 квінтыльён аперацый з плаваючай колькасцю ў секунду, адзінку вылічальнай арыфметыкі. Такая хуткасць вылічэнняў прыкладна ў тры разы вышэйшая, чым у дзеючага чэмпіёна, суперкамп'ютара Fugaku ў Японіі. У наступным годзе яшчэ дзве нацыянальныя лабараторыі плануюць дэбютаваць у ЗША з экзафлопснымі кампутарамі. Вялікая камп'ютэрная магутнасць гэтых сучасных машын дазволіць хімікам мадэляваць яшчэ большыя малекулярныя сістэмы і ў больш працяглых часовых маштабах. Дадзеныя, сабраныя з гэтых мадэляў, могуць дапамагчы даследчыкам пашырыць межы магчымага ў хіміі, скараціўшы разрыў паміж рэакцыямі ў колбе і віртуальнымі мадэляваннямі, якія выкарыстоўваюцца для іх мадэлявання. «Мы знаходзімся ў той кропцы, калі можам пачаць сапраўды задаваць пытанні аб тым, чаго не хапае ў нашых тэарэтычных метадах або мадэлях, што наблізіла б нас да таго, што эксперымент кажа нам як рэальнасць», — заявіла ў верасні C&EN Тэрэза Віндус, хімік-вылічальнік з Універсітэта штата Аёва і кіраўнік праекта Exascale Computing Project. Мадэляванне, якое выконваецца на экзафлопсных кампутарах, можа дапамагчы хімікам вынайсці новыя крыніцы паліва і распрацаваць новыя кліматычна ўстойлівыя матэрыялы.
Па ўсёй краіне, у Менла-Парку, штат Каліфорнія, Нацыянальная лабараторыя паскаральнікаў SLAC усталёўваесуперкрутыя мадэрнізацыі кагерэнтнай крыніцы святла Linac (LCLS)што магло б дазволіць хімікам глыбей зазірнуць у звышхуткі свет атамаў і электронаў. Абсталяванне пабудавана на 3-кіламетровым лінейным паскаральніку, часткі якога астуджаюцца вадкім геліем да 2 К, для стварэння тыпу звышяркай, звышхуткай крыніцы святла, якая называецца рэнтгенаўскім лазерам на свабодных электронах (XFEL). Хімікі выкарыстоўвалі магутныя імпульсы прыбораў для стварэння малекулярных фільмаў, якія дазволілі ім назіраць за мноствам працэсаў, такіх як утварэнне хімічных сувязей і праца фотасінтэтычных ферментаў. «Падчас фемтасекунднай успышкі можна ўбачыць, як атамы стаяць на месцы, як разрываюцца асобныя атамныя сувязі», — сказала ў ліпені C&EN Леора Дрэсэльхаўс-Марэ, навуковец па матэрыялах, якая сумесна працуе ў Стэнфардскім універсітэце і SLAC. Мадэрнізацыя LCLS таксама дазволіць навукоўцам лепш рэгуляваць энергію рэнтгенаўскіх прамянёў, калі новыя магчымасці стануць даступныя ў пачатку наступнага года.
Крыніца: Нацыянальная паскаральная лабараторыя SLAC
Рэнтгенаўскі лазер Нацыянальнай паскаральнай лабараторыі SLAC пабудаваны на 3-кіламетровым лінейным паскаральніку ў Менла-Парку, штат Каліфорнія.
У гэтым годзе навукоўцы таксама ўбачылі, наколькі магутным можа быць доўгачаканы касмічны тэлескоп Джэймса Уэба (JWST) для выяўленняхімічная складанасць нашага СусветуНАСА і яго партнёры — Еўрапейскае касмічнае агенцтва, Канадскае касмічнае агенцтва і Навуковы інстытут касмічных тэлескопаў — ужо апублікавалі дзясяткі здымкаў, ад цудоўных партрэтаў зорных туманнасцей да элементарных адбіткаў старажытных галактык. Інфрачырвоны тэлескоп коштам 10 мільярдаў долараў абсталяваны наборам навуковых прыбораў, прызначаных для вывучэння глыбокай гісторыі нашага Сусвету. За дзесяцігоддзі распрацоўкі JWST ужо пераўзышоў чаканні сваіх інжынераў, атрымаўшы здымак круцячайся галактыкі, якой яна выглядала 4,6 мільярда гадоў таму, з улікам спектраскапічных характарыстык кіслароду, неону і іншых атамаў. Навукоўцы таксама вымералі характарыстыкі паравых аблокаў і імглы на экзапланеце, што дало дадзеныя, якія могуць дапамагчы астрабіёлагам у пошуку патэнцыйна прыдатных для жыцця светаў за межамі Зямлі.
Час публікацыі: 7 лютага 2023 г.