Zana kubwa zilizoendeleza kemia kubwa mnamo 2022 Seti kubwa za data na vifaa vikubwa viliwasaidia wanasayansi kukabiliana na kemia kwa kiwango kikubwa mwaka huu

Zana kubwa ziliendeleza kemia kubwa mnamo 2022

Seti kubwa za data na vifaa vikubwa viliwasaidia wanasayansi kukabiliana na kemia kwa kiwango kikubwa mwaka huu

naAriana Remmel

Mikopo: Kituo cha Kompyuta cha Uongozi cha Oak Ridge katika ORNL

Kompyuta kuu ya Frontier katika Maabara ya Kitaifa ya Oak Ridge ni ya kwanza kati ya kizazi kipya cha mashine ambazo zitawasaidia wanakemia kuchukua simulizi za molekuli ambazo ni ngumu zaidi kuliko hapo awali.

Wanasayansi walifanya uvumbuzi mkubwa kwa kutumia zana kubwa zaidi mnamo 2022. Wakijenga juu ya mwelekeo wa hivi karibuni wa akili bandia yenye uwezo wa kemikali, watafiti walipiga hatua kubwa, wakifundisha kompyuta kutabiri miundo ya protini kwa kiwango kisicho cha kawaida. Mnamo Julai, kampuni inayomilikiwa na Alfabeti ya DeepMind ilichapisha hifadhidata iliyo na miundo yakaribu protini zote zinazojulikana—protini milioni 200 zaidi kutoka kwa zaidi ya spishi milioni 100—kama ilivyotabiriwa na algoriti ya kujifunza kwa mashine AlphaFold. Kisha, mnamo Novemba, kampuni ya teknolojia Meta ilionyesha maendeleo yake katika teknolojia ya utabiri wa protini kwa algoriti ya AI inayoitwaESMFoldKatika utafiti wa awali ambao bado haujapitiwa na wenzao, watafiti wa Meta waliripoti kwamba algoriti yao mpya si sahihi kama AlphaFold lakini ni ya haraka zaidi. Kasi iliyoongezeka ilimaanisha kwamba watafiti wangeweza kutabiri miundo milioni 600 katika wiki 2 tu (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Wanabiolojia katika Shule ya Tiba ya Chuo Kikuu cha Washington (UW) wanasaidiakupanua uwezo wa kibiokemikali wa kompyuta zaidi ya kiolezo cha asilikwa kufundisha mashine kupendekeza protini maalum kuanzia mwanzo. David Baker wa UW na timu yake waliunda zana mpya ya AI ambayo inaweza kubuni protini kwa kuboresha mara kwa mara kwa vidokezo rahisi au kwa kujaza mapengo kati ya sehemu zilizochaguliwa za muundo uliopo (Sayansi2022, DOI:10.1126/sayansi.abn2100Timu pia ilianzisha programu mpya, ProteinMPNN, ambayo inaweza kuanza kutoka kwa maumbo na mikusanyiko ya 3D iliyoundwa ya vitengo vingi vya protini na kisha kubaini mfuatano wa amino asidi unaohitajika ili kuzitengeneza kwa ufanisi (Sayansi2022, DOI:10.1126/sayansi.ongeza2187;10.1126/sayansi.ongeza1964Algoriti hizi za ustadi wa kibiokemikali zinaweza kuwasaidia wanasayansi katika kujenga michoro ya protini bandia ambazo zinaweza kutumika katika vifaa vipya vya kibiolojia na dawa.

Sifa: Ian C. Haydon/Taasisi ya UW ya Ubunifu wa Protini

Algorithimu za kujifunza kwa mashine zinawasaidia wanasayansi kuota protini mpya kwa kuzingatia kazi maalum.

Kadri matarajio ya wanakemia wa kompyuta yanavyokua, ndivyo kompyuta zinazotumika kuiga ulimwengu wa molekuli zinavyoongezeka. Katika Maabara ya Kitaifa ya Oak Ridge (ORNL), wanakemia walipata mtazamo wa kwanza wa moja ya kompyuta zenye nguvu zaidi kuwahi kujengwa.Kompyuta kuu ya ORNL, Frontier, ni miongoni mwa mashine za kwanza kuhesabu zaidi ya shughuli za kuelea kwa zaidi ya kwintilioni 1 kwa sekunde, kitengo cha hesabu za kompyuta. Kasi hiyo ya kompyuta ni ya haraka mara tatu kuliko bingwa mtawala, kompyuta kubwa ya Fugaku huko Japani. Katika mwaka ujao, maabara mbili zaidi za kitaifa zinapanga kuanzisha kompyuta za exascale nchini Marekani. Nguvu kubwa ya kompyuta ya mashine hizi za kisasa itawaruhusu wanakemia kuiga mifumo mikubwa zaidi ya molekuli na kwenye mizani mirefu zaidi ya muda. Data iliyokusanywa kutoka kwa mifumo hiyo inaweza kuwasaidia watafiti kusukuma mipaka ya kinachowezekana katika kemia kwa kupunguza pengo kati ya athari kwenye chupa na simulizi pepe zinazotumika kuziunda. "Tuko katika hatua ambapo tunaweza kuanza kuuliza maswali kuhusu ni nini kinachokosekana kutoka kwa mbinu zetu za kinadharia au mifumo ambayo itatufikisha karibu na kile ambacho jaribio linatuambia ni halisi," Theresa Windus, mwanakemia wa kompyuta katika Chuo Kikuu cha Jimbo la Iowa na kiongozi wa mradi katika Mradi wa Kompyuta wa Exascale, aliambia C&EN mnamo Septemba. Simulizi zinazoendeshwa kwenye kompyuta za exascale zinaweza kuwasaidia wanakemia kuvumbua vyanzo vipya vya mafuta na kubuni vifaa vipya vinavyostahimili hali ya hewa.

Kote nchini, katika Menlo Park, California, Maabara ya Kitaifa ya Kuongeza Kasi ya SLAC inasakinishwaMaboresho ya hali ya juu hadi Chanzo cha Mwanga cha Linac Coherent (LCLS)ambayo inaweza kuwaruhusu wanakemia kuchunguza zaidi ulimwengu wa atomi na elektroni wenye kasi ya juu. Kituo hiki kimejengwa kwenye kichocheo cha mstari cha kilomita 3, ambacho sehemu zake hupozwa na heliamu ya kioevu hadi 2 K, ili kutoa aina ya chanzo cha mwanga mkali na wa kasi wa juu kinachoitwa leza ya elektroni isiyo na miale ya X (XFEL). Wanakemia wametumia mapigo yenye nguvu ya vifaa hivyo kutengeneza filamu za molekuli ambazo zimewawezesha kutazama michakato mingi, kama vile vifungo vya kemikali vinavyounda na vimeng'enya vya usanisinuru vinavyofanya kazi. "Katika mkupuo wa sekunde moja, unaweza kuona atomi zikisimama, vifungo vya atomiki moja vikivunjika," Leora Dresselhaus-Marais, mwanasayansi wa vifaa mwenye miadi ya pamoja katika Chuo Kikuu cha Stanford na SLAC, aliambia C&EN mnamo Julai. Maboresho ya LCLS pia yatawaruhusu wanasayansi kurekebisha vyema nguvu za miale ya X wakati uwezo mpya utakapopatikana mapema mwaka ujao.

Sifa: Maabara ya Kitaifa ya Kuongeza Kasi ya SLAC

Leza ya X-ray ya Maabara ya Kitaifa ya Kuongeza Kasi ya SLAC imejengwa kwenye kichocheo cha mstari cha kilomita 3 huko Menlo Park, California.

Mwaka huu, wanasayansi pia waliona jinsi Darubini ya Anga ya James Webb (JWST) ilivyokuwa na nguvu kwa kufichuaugumu wa kemikali wa ulimwengu wetuNASA na washirika wake—Shirika la Anga za Juu la Ulaya, Shirika la Anga za Juu la Kanada, na Taasisi ya Sayansi ya Darubini ya Anga—tayari wametoa picha nyingi, kuanzia picha za kuvutia za nebulae za nyota hadi alama za vidole vya galaksi za kale. Darubini hiyo ya infrared ya dola bilioni 10 imepambwa kwa vifaa vya kisayansi vilivyoundwa kuchunguza historia ya kina ya ulimwengu wetu. Miongo kadhaa katika utengenezaji, JWST tayari imezidi matarajio ya wahandisi wake kwa kupiga picha ya galaksi inayozunguka kama ilivyoonekana miaka bilioni 4.6 iliyopita, ikiwa na alama za oksijeni, neoni, na atomi zingine. Wanasayansi pia walipima alama za mawingu ya mvuke na ukungu kwenye sayari ya nje, wakitoa data ambayo inaweza kuwasaidia wanaastrobiolojia kutafuta walimwengu wanaoweza kukaliwa zaidi ya Dunia.