כלים ענקיים קידמו את הכימיה הגדולה בשנת 2022
מערכי נתונים ענקיים ומכשירים קולוסאליים סייעו למדענים להתמודד עם כימיה בקנה מידה ענק השנה.
עַל יְדֵיאריאנה רמל
קרדיט: מתקן המחשוב למנהיגות באוק רידג' ב-ORNL
מחשב העל Frontier במעבדה הלאומית אוק רידג' הוא הראשון בדור חדש של מכונות שיסייעו לכימאים להתמודד עם סימולציות מולקולריות מורכבות מאי פעם.
מדענים גילו תגליות גדולות בעזרת כלים גדולים במיוחד בשנת 2022. בהתבסס על המגמה האחרונה של בינה מלאכותית בעלת יכולת כימית, חוקרים עשו צעדים גדולים, ולימדו מחשבים לחזות מבני חלבונים בקנה מידה חסר תקדים. ביולי, חברת DeepMind, שבבעלות אלפבית, פרסמה מאגר נתונים המכיל את המבנים שלכמעט כל החלבונים הידועים— מעל 200 מיליון חלבונים בודדים ממעל 100 מיליון מינים — כפי שחזה אלגוריתם למידת המכונה AlphaFold. לאחר מכן, בנובמבר, חברת הטכנולוגיה Meta הדגימה את התקדמותה בטכנולוגיית חיזוי חלבונים בעזרת אלגוריתם בינה מלאכותית בשםESMFoldבמחקר טרום-הדפסה שטרם עבר ביקורת עמיתים, דיווחו חוקרי מטא כי האלגוריתם החדש שלהם אינו מדויק כמו AlphaFold אך מהיר יותר. המהירות המוגברת אפשרה לחוקרים לחזות 600 מיליון מבנים תוך שבועיים בלבד (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
ביולוגים בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון (UW) מסייעיםלהרחיב את היכולות הביוכימיות של מחשבים מעבר לתבנית הטבעעל ידי לימוד מכונות להציע חלבונים בהתאמה אישית מאפס. דיוויד בייקר מאוניברסיטת וושינגטון וצוותו יצרו כלי בינה מלאכותית חדש שיכול לעצב חלבונים על ידי שיפור איטרטיבי של הנחיות פשוטות או על ידי מילוי הפערים בין חלקים נבחרים של מבנה קיים (מַדָע2022, דיווח על תאריך תפוגה:10.1126/science.abn2100הצוות גם השיק תוכנית חדשה, ProteinMPNN, שיכולה להתחיל מצורות תלת-ממדיות ומכלולים של תת-יחידות חלבון מרובות ולאחר מכן לקבוע את רצפי חומצות האמינו הדרושים לייצורן ביעילות (מַדָע2022, דיווח על תאריך תפוגה:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964אלגוריתמים ביוכימיים אלה יוכלו לסייע למדענים בבניית תוכניות לחלבונים מלאכותיים שניתן להשתמש בהם בחומרים ביולוגיים ותרופות חדשות.
קרדיט: איאן סי. היידון/מכון UW לעיצוב חלבונים
אלגוריתמים של למידת מכונה עוזרים למדענים להמציא חלבונים חדשים עם פונקציות ספציפיות בראש.
ככל ששאיפותיהם של כימאים חישוביים גדלות, כך גם גדלות המחשבים המשמשים לסימולציה של העולם המולקולרי. במעבדה הלאומית אוק רידג' (ORNL), כימאים קיבלו הצצה ראשונה לאחד ממחשבי העל החזקים ביותר שנבנו אי פעם.מחשב העל באקסאסקאלה של ORNL, Frontier, היא בין המכונות הראשונות שחישבו יותר מקווינטיליון פעולות צפות לשנייה, יחידה של חשבון חישובי. מהירות חישוב זו מהירה פי שלושה בערך מזו של האלוף המכהן, מחשב העל פוגאקו מיפן. בשנה הקרובה, שתי מעבדות לאומיות נוספות מתכננות להציג לראשונה מחשבים בקנה מידה אקסה בארה"ב. כוח המחשב העצום של מכונות חדישות אלה יאפשר לכימאים לדמות מערכות מולקולריות גדולות אף יותר ובלוחות זמנים ארוכים יותר. הנתונים שנאספו ממודלים אלה יוכלו לעזור לחוקרים לדחוף את גבולות האפשרי בכימיה על ידי צמצום הפער בין התגובות בבקבוק לבין הסימולציות הווירטואליות המשמשות למידול שלהן. "אנחנו בנקודה שבה אנחנו יכולים להתחיל באמת לשאול שאלות לגבי מה חסר בשיטות התיאורטיות או במודלים שלנו שיקרב אותנו למה שהניסוי אומר לנו שהוא אמיתי", אמרה תרזה וינדוס, כימאית חישובית באוניברסיטת איווה סטייט ומובילת הפרויקט בפרויקט המחשוב בקנה מידה אקסה, ל-C&EN בספטמבר. סימולציות המבוצעות על מחשבים בקנה מידה אקסה יכולות לעזור לכימאים להמציא מקורות דלק חדשים ולתכנן חומרים חדשים עמידים בפני אקלים.
ברחבי המדינה, במנלו פארק, קליפורניה, מתקינה מעבדת המאיצים הלאומית SLACשדרוגים מגניבים במיוחד למקור האור הקוהרנטי של לינאק (LCLS)שיכול לאפשר לכימאים להציץ עמוק יותר אל תוך העולם האולטרה-מהיר של אטומים ואלקטרונים. המתקן בנוי על מאיץ ליניארי באורך 3 ק"מ, שחלקיו מקוררים בהליום נוזלי עד ל-2 קלווין, כדי לייצר סוג של מקור אור בהיר במיוחד ומהיר במיוחד הנקרא לייזר אלקטרונים חופשיים בקרני רנטגן (XFEL). כימאים השתמשו בפולסים רבי העוצמה של המכשירים כדי ליצור סרטים מולקולריים שאפשרו להם לצפות בתהליכים רבים, כגון היווצרות קשרים כימיים ואנזימים פוטוסינתטיים הנכנסים לפעולה. "בהבזק של פמטו-שנייה, אפשר לראות אטומים עומדים במקום, קשרים אטומיים בודדים נשברים", אמרה ליאורה דרסלהאוס-מארה, מדענית חומרים עם מינויים משותפים באוניברסיטת סטנפורד וב-SLAC, ל-C&EN ביולי. השדרוגים ל-LCLS יאפשרו גם למדענים לכוונן טוב יותר את האנרגיות של קרני רנטגן כאשר היכולות החדשות יהיו זמינות בתחילת השנה הבאה.
קרדיט: מעבדת המאיצים הלאומית של SLAC
לייזר הרנטגן של מעבדת המאיצים הלאומית SLAC בנוי על מאיץ ליניארי באורך 3 ק"מ במנלו פארק, קליפורניה.
השנה, מדענים גם ראו עד כמה עוצמתי יכול להיות טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST), לו המיוחל, לחשוף את...המורכבות הכימית של היקום שלנונאס"א ושותפיה - סוכנות החלל האירופית, סוכנות החלל הקנדית ומכון המדעי של טלסקופ החלל - כבר פרסמו עשרות תמונות, החל מדיוקנאות מסנוורים של ערפיליות כוכבים ועד טביעות אצבע יסודיות של גלקסיות עתיקות. טלסקופ האינפרא אדום, שעלותו 10 מיליארד דולר, מצויד בסוויטות של מכשירים מדעיים שנועדו לחקור את ההיסטוריה העמוקה של היקום שלנו. לאחר עשרות שנים של פיתוח, ה-JWST כבר עלה על ציפיות המהנדסים שלו על ידי צילום תמונה של גלקסיה מסתחררת כפי שנראתה לפני 4.6 מיליארד שנים, יחד עם חתימות ספקטרוסקופיות של חמצן, ניאון ואטומים אחרים. מדענים מדדו גם חתימות של עננים אדים וערפל על כוכב לכת חיצוני, וסיפקו נתונים שיכולים לסייע לאסטרוביולוגים לחפש עולמות פוטנציאליים הניתנים למגורים מעבר לכדור הארץ.
זמן פרסום: 7 בפברואר 2023