Stórt verkfæri háþróuðu stóra efnafræði árið 2022
Risastór gagnasöfn og risastór tæki hjálpuðu vísindamönnum að takast á við efnafræði á risastórum mælikvarða á þessu ári
afAriana Remmel
Inneign: Oak Ridge Leadership Computing Facility hjá ORNL
Frontier ofurtölvan í Oak Ridge National Laboratory er sú fyrsta af nýrri kynslóð véla sem mun hjálpa efnafræðingum að taka á sig sameindalíkingar sem eru flóknari en nokkru sinni fyrr.
Vísindamenn gerðu stórar uppgötvanir með verkfærum í ofurstærð árið 2022. Byggt á nýlegri þróun efnafræðilega hæfrar gervigreindar náðu vísindamenn miklum framförum og kenndu tölvum að spá fyrir um próteinbyggingu á áður óþekktum mælikvarða.Í júlí gaf fyrirtækið DeepMind í eigu Alphabet út gagnagrunn sem inniheldur uppbyggingunánast öll þekkt prótein—200 milljón plús einstök prótein úr yfir 100 milljón tegundum – eins og spáð er af vélanámsreikniritinu AlphaFold.Svo, í nóvember, sýndi tæknifyrirtækið Meta framfarir sínar í próteinspátækni með gervigreindum reiknirit sem kallastESMFold.Í forprentunarrannsókn sem enn hefur ekki verið ritrýnd, greindu Meta vísindamenn frá því að nýja reikniritið þeirra sé ekki eins nákvæmt og AlphaFold en er fljótlegra.Aukinn hraði þýddi að vísindamennirnir gætu spáð fyrir um 600 milljónir mannvirkja á aðeins 2 vikum (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Líffræðingar við læknadeild háskólans í Washington (UW) hjálpa tilstækka lífefnafræðilega getu tölvunnar umfram sniðmát náttúrunnarmeð því að kenna vélum að bjóða upp á sérsniðin prótein frá grunni.David Baker hjá UW og teymi hans bjuggu til nýtt gervigreindarverkfæri sem getur hannað prótein með því annaðhvort að bæta endurtekið á einföldum leiðbeiningum eða með því að fylla í eyður á milli valinna hluta núverandi byggingar (Vísindi2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Teymið frumsýndi einnig nýtt forrit, ProteinMPNN, sem getur byrjað á hönnuðum þrívíddarformum og samsetningum margra próteinundireininga og síðan ákvarðað amínósýruröðina sem þarf til að gera þær á skilvirkan hátt (Vísindi2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Þessi lífefnafræðilega kunnátta reiknirit gætu aðstoðað vísindamenn við að búa til teikningar fyrir gervi prótein sem hægt væri að nota í ný lífefni og lyf.
Inneign: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Vélræn reiknirit hjálpa vísindamönnum að dreyma upp ný prótein með sérstakar aðgerðir í huga.
Eftir því sem metnaður tölvuefnafræðinga vex, eykst tölvurnar sem notaðar eru til að líkja eftir sameindaheiminum.Á Oak Ridge National Laboratory (ORNL) fengu efnafræðingar fyrstu innsýn í eina öflugustu ofurtölvu sem smíðuð hefur verið.Exascale ofurtölva ORNL, Frontier, er meðal fyrstu vélanna til að reikna meira en 1 fimmtíljón fljótandi aðgerða á sekúndu, eining reiknireiknings.Sá tölvuhraði er um þrisvar sinnum meiri en ríkjandi meistari, ofurtölvan Fugaku í Japan.Á næsta ári ætla tvær innlendar rannsóknarstofur til viðbótar að frumsýna exascale tölvur í Bandaríkjunum.Stórt tölvuafl þessara nýjustu véla mun gera efnafræðingum kleift að líkja eftir enn stærri sameindakerfum og á lengri tíma.Gögnin sem safnað er úr þessum líkönum gætu hjálpað rannsakendum að ýta mörkum þess sem er mögulegt í efnafræði með því að minnka bilið á milli viðbragða í flösku og sýndarhermunanna sem notaðar eru til að búa til líkan þeirra.„Við erum á þeim tímapunkti að við getum í raun farið að spyrja spurninga um hvað er það sem vantar í fræðilegar aðferðir okkar eða líkön sem myndu færa okkur nær því sem tilraun segir okkur að sé raunverulegt,“ Theresa Windus, efnafræðingur í útreikningum við Iowa. State University og verkefnisstjóri með Exascale Computing Project, sagði C&EN í september.Eftirlíkingar sem keyrðar eru á tölvum í exascale gætu hjálpað efnafræðingum að finna upp nýjar eldsneytisgjafa og hanna ný loftslagsþolin efni.
Um allt land, í Menlo Park, Kaliforníu, er SLAC National Accelerator Laboratory að setja uppfrábærar uppfærslur á Linac Coherent Light Source (LCLS)sem gæti gert efnafræðingum kleift að skyggnast dýpra inn í ofurhraðan heim atóma og rafeinda.Aðstaðan er byggð á 3 km línuhraðli, en hlutar hans eru kældir með fljótandi helíum niður í 2 K, til að framleiða tegund af ofurbjörtum, ofurhröðum ljósgjafa sem kallast X-ray free-electron laser (XFEL).Efnafræðingar hafa notað öfluga púls tækjanna til að búa til sameindamyndir sem hafa gert þeim kleift að horfa á ótal ferla, eins og efnatengi myndast og ljóstillífunarensím fara að virka.„Í einu sekúndubliki geturðu séð atóm standa kyrr, staktengd tengsl brotna,“ sagði Leora Dresselhaus-Marais, efnisfræðingur við Stanford háskóla og SLAC, við C&EN í júlí.Uppfærslan á LCLS mun einnig gera vísindamönnum kleift að stilla betur orku röntgengeisla þegar nýir eiginleikar verða tiltækir snemma á næsta ári.
Inneign: SLAC National Accelerator Laboratory
Röntgenleysir SLAC National Accelerator Laboratory er byggður á 3 km línulegum inngjöfum í Menlo Park, Kaliforníu.
Á þessu ári sáu vísindamenn líka hversu öflugur James Webb geimsjónaukinn (JWST) sem lengi hefur beðið eftir gæti verið til að afhjúpaefnafræðilega margbreytileika alheimsins okkar.NASA og samstarfsaðilar þess – Evrópska geimferðastofnunin, kanadíska geimferðastofnunin og geimsjónaukavísindastofnunin – hafa þegar birt tugi mynda, allt frá töfrandi andlitsmyndum af stjörnuþokum til frumefna fingraföra fornra vetrarbrauta.10 milljarða dala innrauði sjónaukinn er skreyttur svítum af vísindatækjum sem eru hönnuð til að kanna djúpa sögu alheims okkar.Áratugum í mótun hefur JWST nú þegar farið fram úr væntingum verkfræðinga sinna með því að taka mynd af þyrlandi vetrarbraut eins og hún leit út fyrir 4,6 milljörðum ára, fullkomin með litrófsrofsmerkjum súrefnis, neon og annarra atóma.Vísindamenn mældu einnig einkenni gufuskýja og þoku á fjarreikistjörnu, og útveguðu gögn sem gætu hjálpað stjörnufræðingum að leita að hugsanlega byggilegum heimum handan jarðar.
Pósttími: Feb-07-2023