أدوات ضخمة طورت الكيمياء الكبيرة في عام 2022
ساعدت مجموعات البيانات الضخمة والأدوات الضخمة العلماء على معالجة الكيمياء على نطاق واسع هذا العام
بواسطةأريانا ريميل
الائتمان: مرفق حوسبة أوك ريدج للقيادة في ORNL
يعد الكمبيوتر الفائق Frontier في مختبر أوك ريدج الوطني هو الأول من جيل جديد من الآلات التي ستساعد الكيميائيين في إجراء عمليات محاكاة جزيئية أكثر تعقيدًا من أي وقت مضى.
حقق العلماء اكتشافات كبيرة باستخدام أدوات ضخمة في عام 2022. بناءً على الاتجاه الأخير للذكاء الاصطناعي الكفء كيميائيًا ، قطع الباحثون خطوات كبيرة ، حيث قاموا بتدريس أجهزة الكمبيوتر للتنبؤ بهياكل البروتين على نطاق غير مسبوق.في يوليو ، نشرت شركة DeepMind المملوكة لشركة Alphabet قاعدة بيانات تحتوي على هياكلتقريبا كل البروتينات المعروفة- أكثر من 200 مليون بروتين فردي من أكثر من 100 مليون نوع - كما تنبأت خوارزمية التعلم الآلي AlphaFold.بعد ذلك ، في نوفمبر ، أظهرت شركة Meta التكنولوجية تقدمها في تقنية التنبؤ بالبروتين باستخدام خوارزمية الذكاء الاصطناعي المسماةESMFold.في دراسة ما قبل الطباعة التي لم تخضع بعد لمراجعة الأقران ، أفاد باحثو Meta أن الخوارزمية الجديدة ليست دقيقة مثل AlphaFold ولكنها أسرع.تعني السرعة المتزايدة أنه يمكن للباحثين توقع 600 مليون هيكل في أسبوعين فقط (bioRxiv 2022 ، DOI:10.1101 / 2022.07.20.500902).
يساعد علماء الأحياء في كلية الطب بجامعة واشنطنتوسيع القدرات البيوكيميائية لأجهزة الكمبيوتر بما يتجاوز نموذج الطبيعةمن خلال تعليم الآلات اقتراح البروتينات حسب الطلب من الصفر.ابتكر David Baker من جامعة UW وفريقه أداة ذكاء اصطناعي جديدة يمكنها تصميم البروتينات إما عن طريق التحسين المتكرر على المطالبات البسيطة أو عن طريق سد الفجوات بين الأجزاء المحددة من الهيكل الحالي (علوم2022 ، DOI:10.1126 / العلوم. abn2100).أطلق الفريق أيضًا برنامجًا جديدًا ، ProteinMPNN ، يمكن أن يبدأ من أشكال وتجميعات ثلاثية الأبعاد مصممة لوحدات فرعية بروتينية متعددة ثم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية اللازمة لجعلها فعالة (علوم2022 ، DOI:10.1126 / science.add2187؛10.1126 / science.add1964).يمكن لهذه الخوارزميات الذكية كيميائيًا أن تساعد العلماء في بناء مخططات للبروتينات الاصطناعية التي يمكن استخدامها في المواد الحيوية والمستحضرات الصيدلانية الجديدة.
الائتمان: إيان سي هايدون / معهد UW لتصميم البروتين
تساعد خوارزميات التعلم الآلي العلماء على ابتكار بروتينات جديدة بوظائف محددة في الاعتبار.
مع نمو طموحات الكيميائيين الحاسوبيين ، تزداد كذلك أجهزة الكمبيوتر المستخدمة لمحاكاة العالم الجزيئي.في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) ، حصل الكيميائيون على لمحة أولى عن أحد أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي تم بناؤها على الإطلاق.الكمبيوتر العملاق الإكساسكيل من ORNL ، Frontier، من بين الآلات الأولى التي احتسبت أكثر من 1 كوينتيليون عملية عائمة في الثانية ، وهي وحدة حسابية حسابية.وتبلغ سرعة الحوسبة هذه ثلاثة أضعاف سرعة البطل الفائز بالحاسوب العملاق فوجاكو في اليابان.في العام المقبل ، يخطط مختبران وطنيان آخران لإطلاق أجهزة كمبيوتر إكساسكيل في الولايات المتحدة.ستسمح القوة الحاسوبية الضخمة لهذه الآلات المتطورة للكيميائيين بمحاكاة أنظمة جزيئية أكبر وعلى فترات زمنية أطول.يمكن للبيانات التي تم جمعها من هذه النماذج أن تساعد الباحثين على دفع حدود ما هو ممكن في الكيمياء عن طريق تضييق الفجوة بين التفاعلات في القارورة والمحاكاة الافتراضية المستخدمة لنمذجةهم."نحن في مرحلة يمكننا فيها حقًا طرح أسئلة حول ما هو مفقود من أساليبنا النظرية أو نماذجنا التي ستقربنا أكثر مما تخبرنا به التجربة أنه حقيقي" ، تيريزا ويندوس ، كيميائية حسابية في ولاية آيوا جامعة الولاية وقيادة المشروع مع مشروع Exascale Computing ، وفقًا لـ C&EN في سبتمبر.يمكن أن تساعد عمليات المحاكاة التي تعمل على أجهزة كمبيوتر الإكساسكيل الكيميائيين على ابتكار مصادر وقود جديدة وتصميم مواد جديدة مقاومة للمناخ.
في جميع أنحاء البلاد ، في مينلو بارك ، كاليفورنيا ، يتم تركيب مختبر التسريع الوطني SLACترقيات فائقة البرودة إلى Linac Coherent Light Source (LCLS)يمكن أن يسمح للكيميائيين بالتعمق أكثر في عالم الذرات والإلكترونات فائق السرعة.تم بناء المنشأة على مسرع خطي بطول 3 كيلومترات ، يتم تبريد أجزاء منه بالهيليوم السائل حتى 2 كلفن ، لإنتاج نوع من مصدر الضوء فائق السطوع وفائق السرعة يسمى ليزر الأشعة السينية الخالي من الإلكترون (XFEL).استخدم الكيميائيون النبضات القوية للأدوات لصنع أفلام جزيئية مكنتهم من مشاهدة عمليات لا تعد ولا تحصى ، مثل تكوين الروابط الكيميائية ، وإنزيمات التمثيل الضوئي التي ستعمل.قال ليورا دريسيلهاوس ماريه ، عالِم المواد الذي له مواعيد مشتركة في جامعة ستانفورد و SLAC ، لـ C&EN في يوليو: "في ومضة فيمتوثانية ، يمكنك أن ترى الذرات ثابتة ، روابط ذرية مفردة تنكسر".ستسمح ترقيات LCLS للعلماء أيضًا بضبط طاقات الأشعة السينية بشكل أفضل عندما تصبح الإمكانات الجديدة متاحة في أوائل العام المقبل.
الائتمان: مختبر المسرع الوطني SLAC
تم بناء ليزر الأشعة السينية الخاص بمعمل SLAC National Accelerator Laboratory على مسرع خطي بطول 3 كيلومترات في مينلو بارك ، كاليفورنيا.
هذا العام ، رأى العلماء أيضًا مدى قوة تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) الذي طال انتظاره للكشف عنالتعقيد الكيميائي لكوننا.أصدرت وكالة ناسا وشركاؤها - وكالة الفضاء الأوروبية ، ووكالة الفضاء الكندية ، ومعهد علوم تلسكوب الفضاء - بالفعل عشرات الصور ، من الصور المبهرة للسدم النجمية إلى البصمات الأولية للمجرات القديمة.تلسكوب الأشعة تحت الحمراء الذي تبلغ تكلفته 10 مليارات دولار مزين بمجموعة من الأدوات العلمية المصممة لاستكشاف التاريخ العميق لكوننا.على مدى عقود من الزمن ، تفوق JWST بالفعل على توقعات مهندسيه من خلال التقاط صورة لمجرة دوارة كما ظهرت قبل 4.6 مليار سنة ، مكتملة بالتوقيعات الطيفية للأكسجين والنيون والذرات الأخرى.قام العلماء أيضًا بقياس توقيعات السحب البخارية والضباب على كوكب خارج المجموعة الشمسية ، مما يوفر بيانات يمكن أن تساعد علماء الأحياء الفلكية في البحث عن عوالم يمكن أن تكون صالحة للسكن خارج الأرض.
الوقت ما بعد: فبراير 07-2023