أدوات ضخمة تُعزز الكيمياء واسعة النطاق في عام 2022. ساعدت مجموعات البيانات الهائلة والأجهزة العملاقة العلماء على معالجة الكيمياء على نطاق واسع هذا العام.

أدوات ضخمة تُعزز الكيمياء الكبيرة في عام 2022

ساعدت مجموعات البيانات الضخمة والأجهزة العملاقة العلماء على معالجة الكيمياء على نطاق واسع هذا العام

بواسطةأريانا ريميل

مصدر الصورة: مركز أوك ريدج للحوسبة القيادية في مختبر أوك ريدج الوطني

يُعدّ جهاز الكمبيوتر العملاق Frontier في مختبر أوك ريدج الوطني أول جهاز من جيل جديد من الآلات التي ستساعد الكيميائيين على إجراء عمليات محاكاة جزيئية أكثر تعقيدًا من أي وقت مضى.

حقق العلماء اكتشافاتٍ عظيمة باستخدام أدواتٍ متطورة للغاية في عام 2022. وانطلاقًا من التوجه الحديث نحو الذكاء الاصطناعي ذي الكفاءة الكيميائية، حقق الباحثون تقدمًا كبيرًا، حيث قاموا بتعليم أجهزة الكمبيوتر التنبؤ ببنية البروتينات على نطاقٍ غير مسبوق. وفي يوليو، نشرت شركة ديب مايند، التابعة لشركة ألفابت، قاعدة بيانات تحتوي على هياكل...جميع البروتينات المعروفة تقريباً—أكثر من 200 مليون بروتين فردي من أكثر من 100 مليون نوع— وفقًا لتوقعات خوارزمية التعلم الآلي AlphaFold. ثم، في نوفمبر، عرضت شركة التكنولوجيا Meta تقدمها في تكنولوجيا التنبؤ بالبروتينات باستخدام خوارزمية ذكاء اصطناعي تسمىESMFoldفي دراسة أولية لم تخضع بعد لمراجعة الأقران، أفاد باحثو ميتا بأن خوارزميتهم الجديدة ليست دقيقة مثل خوارزمية ألفافولد، لكنها أسرع. وقد مكّنت هذه السرعة المتزايدة الباحثين من التنبؤ بـ 600 مليون بنية في غضون أسبوعين فقط (bioRxiv 2022، DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

يساعد علماء الأحياء في كلية الطب بجامعة واشنطن (UW)توسيع القدرات البيوكيميائية لأجهزة الكمبيوتر بما يتجاوز النموذج الطبيعيمن خلال تعليم الآلات اقتراح بروتينات مصممة خصيصًا من الصفر. ابتكر ديفيد بيكر وفريقه من جامعة واشنطن أداة ذكاء اصطناعي جديدة يمكنها تصميم البروتينات إما عن طريق التحسين المتكرر للمطالبات البسيطة أو عن طريق ملء الفجوات بين أجزاء محددة من بنية موجودة (علوم2022، DOI:10.1126/science.abn2100كما أطلق الفريق برنامجًا جديدًا، ProteinMPNN، يمكنه البدء من الأشكال ثلاثية الأبعاد المصممة وتجمعات وحدات البروتين الفرعية المتعددة، ثم تحديد تسلسلات الأحماض الأمينية اللازمة لصنعها بكفاءة.علوم2022، DOI:10.1126/science.add2187؛10.1126/science.add1964). يمكن لهذه الخوارزميات الذكية بيوكيميائياً أن تساعد العلماء في بناء مخططات للبروتينات الاصطناعية التي يمكن استخدامها في المواد الحيوية والمستحضرات الصيدلانية الجديدة.

حقوق الصورة: إيان سي. هايدون/معهد تصميم البروتين بجامعة واشنطن

تساعد خوارزميات التعلم الآلي العلماء على ابتكار بروتينات جديدة ذات وظائف محددة.

مع تزايد طموحات الكيميائيين الحسابيين، تتطور أيضاً أجهزة الكمبيوتر المستخدمة لمحاكاة العالم الجزيئي. في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL)، أتيحت للكيميائيين فرصة الاطلاع لأول مرة على أحد أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي تم بناؤها على الإطلاق.حاسوب فرونتير العملاق ذو السرعة الفائقة التابع لمختبر أوك ريدج الوطني،يُعدّ هذا الجهاز من أوائل الأجهزة التي تُجري أكثر من كوينتيليون عملية حسابية عائمة في الثانية، وهي وحدة قياس في الحساب. وتُعادل سرعة الحوسبة هذه ثلاثة أضعاف سرعة الجهاز الرائد حاليًا، وهو الحاسوب العملاق فوغاكو في اليابان. وفي العام المقبل، يُخطط مختبران وطنيان آخران لإطلاق حواسيب إكساسكيل في الولايات المتحدة. وستُمكّن القدرة الحاسوبية الهائلة لهذه الأجهزة المتطورة الكيميائيين من محاكاة أنظمة جزيئية أكبر وعلى نطاقات زمنية أطول. ويمكن للبيانات المُجمّعة من هذه النماذج أن تُساعد الباحثين على توسيع آفاق الإمكانيات في الكيمياء من خلال تضييق الفجوة بين التفاعلات في المختبر والمحاكاة الافتراضية المُستخدمة لنمذجتها. وقالت تيريزا ويندوس، الكيميائية الحاسوبية في جامعة ولاية أيوا وقائدة مشروع الحوسبة إكساسكيل، لمجلة C&EN في سبتمبر: "لقد وصلنا إلى مرحلة يُمكننا فيها البدء بطرح أسئلة حول ما ينقص أساليبنا أو نماذجنا النظرية التي من شأنها أن تُقرّبنا مما تُشير إليه التجربة على أنه حقيقة". يمكن أن تساعد عمليات المحاكاة التي يتم تشغيلها على أجهزة الكمبيوتر فائقة السرعة الكيميائيين على ابتكار مصادر وقود جديدة وتصميم مواد جديدة مقاومة لتغير المناخ.

في جميع أنحاء البلاد، في مينلو بارك، كاليفورنيا، يقوم مختبر SLAC الوطني للمسرعات بتركيبترقيات رائعة لمصدر الضوء المتماسك الخطي (LCLS)قد يُمكّن هذا المشروع الكيميائيين من الغوص أعمق في عالم الذرات والإلكترونات فائق السرعة. بُني هذا المرفق على مُسرِّع خطي بطول 3 كيلومترات، تُبرَّد أجزاء منه بالهيليوم السائل حتى درجة حرارة 2 كلفن، لإنتاج نوع من مصادر الضوء فائقة السطوع والسرعة يُسمى ليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية (XFEL). استخدم الكيميائيون نبضات هذه الأجهزة القوية لإنتاج أفلام جزيئية مكّنتهم من مراقبة عمليات لا حصر لها، مثل تكوّن الروابط الكيميائية وبدء عمل إنزيمات التمثيل الضوئي. صرّحت ليورا دريسلهاوس-ماريه، عالمة المواد التي تشغل مناصب مشتركة في جامعة ستانفورد ومختبر SLAC، لمجلة C&EN في يوليو/تموز: "في ومضة من الفيمتوثانية، يمكنك رؤية الذرات وهي تتوقف عن الحركة، والروابط الذرية المفردة وهي تنكسر". كما ستُمكّن التحديثات التي أُجريت على LCLS العلماء من ضبط طاقات الأشعة السينية بشكل أفضل عندما تُصبح هذه الإمكانيات الجديدة متاحة في أوائل العام المقبل.

حقوق الصورة: مختبر SLAC الوطني للمسرعات

تم بناء ليزر الأشعة السينية التابع لمختبر SLAC الوطني للمسرعات على مسرع خطي بطول 3 كيلومترات في مينلو بارك، كاليفورنيا.

شهد العلماء هذا العام أيضاً مدى قوة تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) الذي طال انتظاره في الكشف عنالتعقيد الكيميائي لكونناأصدرت وكالة ناسا وشركاؤها - وكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة الفضاء الكندية، ومعهد علوم تلسكوب الفضاء - عشرات الصور، بدءًا من صور خلابة للسدم النجمية وصولًا إلى البصمات العنصرية للمجرات القديمة. وقد زُوّد تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي تبلغ تكلفته 10 مليارات دولار، بمجموعات من الأدوات العلمية المصممة لاستكشاف التاريخ العميق للكون. وبعد عقود من العمل الدؤوب، تجاوز أداء التلسكوب توقعات مهندسيه، إذ التقط صورة لمجرة دوارة كما بدت قبل 4.6 مليار سنة، متضمنةً بصمات طيفية للأكسجين والنيون وذرات أخرى. كما قاس العلماء بصمات السحب البخارية والضباب على كوكب خارج المجموعة الشمسية، موفرين بيانات قد تساعد علماء الأحياء الفلكية في البحث عن عوالم صالحة للسكن خارج كوكب الأرض.