Risavaxin verkfæri þróuðu stóra efnafræði árið 2022
Risavaxin gagnasöfn og risavaxin tæki hjálpuðu vísindamönnum að takast á við efnafræði á risamælikvarða í ár.
eftirAriana Remmel
Mynd: Oak Ridge Leadership Computing Facility við ORNL
Ofurtölvan Frontier við Oak Ridge National Laboratory er sú fyrsta af nýrri kynslóð véla sem munu hjálpa efnafræðingum að takast á við sameindalíkanir sem eru flóknari en nokkru sinni fyrr.
Vísindamenn gerðu stórar uppgötvanir með risastórum verkfærum árið 2022. Byggjandi á nýlegri þróun efnafræðilega hæfrar gervigreindar stigu vísindamenn stór skref og kenndu tölvum að spá fyrir um próteinbyggingu á fordæmalausan hátt. Í júlí birti fyrirtækið DeepMind, í eigu Alphabet, gagnagrunn sem innihélt uppbyggingu ...næstum öll þekkt prótein— Meira en 200 milljónir einstakra próteina frá yfir 100 milljónum tegunda — eins og spáð er með vélanámsreikniritinu AlphaFold. Í nóvember sýndi tæknifyrirtækið Meta síðan framfarir sínar í próteinspátækni með gervigreindarreikniriti sem kallastESMFoldÍ rannsókn sem ekki hefur enn verið ritrýnd, greindu vísindamenn hjá Meta frá því að nýja reiknirit þeirra væri ekki eins nákvæmt og AlphaFold en hraðara. Aukinn hraði þýddi að vísindamennirnir gátu spáð fyrir um 600 milljónir mannvirkja á aðeins tveimur vikum (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Líffræðingar við læknadeild Háskólans í Washington (UW) aðstoðavíkka lífefnafræðilega getu tölva út fyrir náttúrufyrirmyndinameð því að kenna vélum að leggja til sérsniðin prótein frá grunni. David Baker frá Háskólanum í Washington og teymi hans bjuggu til nýtt gervigreindartól sem getur hannað prótein með því annað hvort að bæta einföld fyrirmæli ítrekað eða með því að fylla í eyðurnar milli valinna hluta núverandi uppbyggingar (Vísindi2022, DOI:10.1126/vísindi.abn2100Teymið kynnti einnig nýtt forrit, ProteinMPNN, sem getur byrjað á hönnuðum þrívíddarformum og samsetningum margra próteineininga og síðan ákvarðað amínósýruröðina sem þarf til að búa þær til á skilvirkan hátt (Vísindi2022, DOI:10.1126/vísindi.add2187;10.1126/vísindi.add1964Þessir lífefnafræðilega snjöllu reiknirit gætu aðstoðað vísindamenn við að smíða teikningar að gervi próteinum sem hægt væri að nota í ný lífefni og lyf.
Mynd: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Vélanámsreiknirit hjálpa vísindamönnum að finna upp ný prótein með ákveðin hlutverk í huga.
Þegar metnaður tölvuefnafræðinga eykst, eykst einnig notkun tölvunnar sem notaðar eru til að herma eftir sameindaheiminum. Í Oak Ridge National Laboratory (ORNL) fengu efnafræðingar fyrstu innsýn í eina öflugustu ofurtölvu sem smíðuð hefur verið.Ofurtölva ORNL, Frontier, á stórum skala, er meðal fyrstu vélanna sem reikna út meira en 1 quintillion fljótandi aðgerða á sekúndu, sem er eining í reiknifræðilegri reikningslist. Þessi reiknihraði er um það bil þrisvar sinnum hraðari en hjá ríkjandi meistaranum, ofurtölvunni Fugaku í Japan. Á næsta ári hyggjast tvær aðrar rannsóknarstofur í Bandaríkjunum frumsýna exascale tölvur í Bandaríkjunum. Ofurstór tölvuafl þessara nýjustu véla mun gera efnafræðingum kleift að herma eftir enn stærri sameindakerfum og á lengri tíma. Gögnin sem safnað er úr þessum líkönum gætu hjálpað vísindamönnum að færa mörk þess sem er mögulegt í efnafræði með því að minnka bilið á milli efnahvarfa í flösku og sýndarhermuna sem notaðar eru til að líkja þeim. „Við erum komin á þann stað þar sem við getum byrjað að spyrja spurninga um hvað það er sem vantar í fræðilegum aðferðum okkar eða líkönum sem myndi færa okkur nær því sem tilraun segir okkur að sé raunverulegt,“ sagði Theresa Windus, reikniefnafræðingur við Iowa State University og verkefnisstjóri Exascale Computing Project, við C&EN í september. Hermir sem keyrðar eru á tölvum á exa-skala gætu hjálpað efnafræðingum að finna upp nýjar eldsneytisgjafa og hanna ný loftslagsþolin efni.
Víðsvegar um landið, í Menlo Park í Kaliforníu, er SLAC National Accelerator Laboratory að setja upp ...Ofurflottar uppfærslur á Linac Coherent Light Source (LCLS)sem gæti gert efnafræðingum kleift að skyggnast dýpra inn í hinn ofurhraðvirka heim atóma og rafeinda. Aðstaðan er byggð á 3 km línulegum hröðlum, þar sem hlutar hans eru kældir með fljótandi helíum niður í 2 K, til að framleiða eins konar afar bjartan, ofurhraðan ljósgjafa sem kallast röntgenfrjálsrafeindaleysir (XFEL). Efnafræðingar hafa notað öfluga púlsa tækjanna til að búa til sameindamyndbönd sem hafa gert þeim kleift að fylgjast með fjölmörgum ferlum, svo sem myndun efnatengja og ljóstillífunarensíma sem fara af stað. „Á femtósekúndu blikkandi tíma er hægt að sjá atóm standa kyrr, einstök atómtengi brotna,“ sagði Leora Dresselhaus-Marais, efnisfræðingur með sameiginleg störf við Stanford háskóla og SLAC, við C&EN í júlí. Uppfærslurnar á LCLS munu einnig gera vísindamönnum kleift að stilla orku röntgengeisla betur þegar nýju eiginleikarnir verða tiltækir snemma á næsta ári.
Mynd: SLAC National Accelerator Laboratory
Röntgenleysir SLAC National Accelerator Laboratory er smíðaður á 3 km línulegum hröðlum í Menlo Park í Kaliforníu.
Í ár sáu vísindamenn einnig hversu öflugur hinn langþráði James Webb geimsjónauki (JWST) gæti verið til að afhjúpaefnafræðileg flækjustig alheimsins okkarNASA og samstarfsaðilar þess — Evrópska geimvísindastofnunin, Kanadíska geimvísindastofnunin og Geimsjónaukastofnunin — hafa þegar gefið út fjölda mynda, allt frá glæsilegum portrettmyndum af stjörnuþokum til fingraföra frumefna fornra vetrarbrauta. Innrauði sjónaukinn, sem kostar 10 milljarða dollara, er búinn fjölmörgum vísindatækjum sem hönnuð eru til að kanna djúpa sögu alheimsins. Eftir áratugi í smíðum hefur JWST þegar farið fram úr væntingum verkfræðinga sinna með því að taka mynd af hvirfilvetrarbraut eins og hún leit út fyrir 4,6 milljörðum ára, ásamt litrófsmælingum á súrefni, neoni og öðrum atómum. Vísindamenn mældu einnig einkenni gufuskýja og móðu á fjarreikistjörnu og veittu gögn sem gætu hjálpað stjörnufræðingum að leita að hugsanlega byggilegum hnettum handan Jarðar.
Birtingartími: 7. febrúar 2023