כלים מסיביים קידמו את הכימיה הגדולה בשנת 2022
מערכי נתונים ענקיים ומכשירים אדירים עזרו למדענים להתמודד השנה עם כימיה בקנה מידה ענק
על ידיאריאנה רמל
קרדיט: Oak Ridge Leadership Computing Facility ב-ORNL
מחשב העל של Frontier במעבדה הלאומית של Oak Ridge הוא הראשון מתוך דור חדש של מכונות שיסייעו לכימאים לקחת על עצמם סימולציות מולקולריות שהן מורכבות מאי פעם.
מדענים גילו תגליות גדולות עם כלים גדולים ב-2022. בהתבסס על המגמה האחרונה של בינה מלאכותית מוכשרת מבחינה כימית, החוקרים עשו צעדים גדולים, ולימדו מחשבים לחזות מבני חלבון בקנה מידה חסר תקדים.ביולי פרסמה חברת DeepMind בבעלות אלפבית מאגר מידע המכיל את המבנים שלכמעט כל החלבונים המוכרים-200 מיליון פלוס חלבונים בודדים מלמעלה מ-100 מיליון מינים - כפי שחזה אלגוריתם למידת המכונה AlphaFold.ואז, בנובמבר, חברת הטכנולוגיה Meta הדגימה את ההתקדמות שלה בטכנולוגיית חיזוי חלבון עם אלגוריתם AI שנקראESMFfold.במחקר טרום-הדפסה שעדיין לא זכה לביקורת עמיתים, חוקרי Meta דיווחו שהאלגוריתם החדש שלהם אינו מדויק כמו AlphaFold אלא מהיר יותר.המהירות המוגברת גרמה לכך שהחוקרים יכלו לחזות 600 מיליון מבנים תוך שבועיים בלבד (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
ביולוגים בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון (UW) עוזריםלהרחיב את היכולות הביוכימיות של המחשבים מעבר לתבנית של הטבעעל ידי לימוד מכונות להציע חלבונים בהתאמה אישית מאפס.דייוויד בייקר של UW וצוותו יצרו כלי בינה מלאכותית חדש שיכול לעצב חלבונים על ידי שיפור איטרטיבי על פי הנחיות פשוטות או על ידי מילוי הפערים בין חלקים נבחרים של מבנה קיים (מַדָע2022, DOI:10.1126/science.abn2100).הצוות גם הציג לראשונה תוכנית חדשה, ProteinMPNN, שיכולה להתחיל מצורות תלת-ממדיות ומכלולים מתוכננים של תת-יחידות חלבון מרובות ולאחר מכן לקבוע את רצפי חומצות האמינו הדרושים כדי ליצור אותן ביעילות (מַדָע2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).אלגוריתמים ביוכימיים אלו יכולים לסייע למדענים בבניית שרטוטים לחלבונים מלאכותיים שיוכלו לשמש בביו-חומרים ותרופות חדשות.
קרדיט: Ian C. Haydon/UW Institute for Design Protein
אלגוריתמים של למידת מכונה עוזרים למדענים להמציא חלבונים חדשים עם פונקציות ספציפיות בראש.
ככל שהשאיפות של כימאים חישוביים גדלות, כך גם המחשבים המשמשים כדי לדמות את העולם המולקולרי גדלות.במעבדה הלאומית של Oak Ridge (ORNL), כימאים קיבלו הצצה ראשונה לאחד ממחשבי העל החזקים ביותר שנבנו אי פעם.מחשב העל האקסקלוסיבי של ORNL, Frontier, היא בין המכונות הראשונות שחישבו יותר מקונטיליון פעולות צפות בשנייה, יחידה של אריתמטיקה חישובית.מהירות המחשוב הזו מהירה בערך פי שלושה מהאלוף המכהן, מחשב העל Fugaku ביפן.בשנה הבאה, שתי מעבדות לאומיות נוספות מתכננות להציג לראשונה מחשבים מסוג Exascale בארה"ב.כוח המחשב הגדול של המכונות החדישות הללו יאפשר לכימאים לדמות מערכות מולקולריות גדולות עוד יותר ובטווחי זמן ארוכים יותר.הנתונים שנאספו מאותם מודלים יכולים לעזור לחוקרים לדחוף את הגבולות של מה שאפשר בכימיה על ידי צמצום הפער בין התגובות בבקבוק לבין ההדמיות הוירטואליות המשמשות למודל שלהן."אנחנו בנקודה שבה אנחנו יכולים להתחיל באמת לשאול שאלות על מה חסר בשיטות או במודלים התיאורטיים שלנו שיקרב אותנו למה שניסוי אומר לנו שהוא אמיתי", תרזה ווינדוס, כימאית חישובית מאיווה אוניברסיטת המדינה ומוביל פרויקט עם פרויקט המחשוב Exascale, אמרו ל-C&EN בספטמבר.סימולציות המופעלות על מחשבים מסוג Exascale יכולות לעזור לכימאים להמציא מקורות דלק חדשים ולתכנן חומרים עמידים באקלים.
ברחבי הארץ, במנלו פארק, קליפורניה, מתקין את מעבדת ההאצה הלאומית של SLACשדרוגים supercool למקור האור הקוהרנטי של Linac (LCLS)שיכול לאפשר לכימאים להציץ עמוק יותר לתוך העולם האולטרה-מהיר של אטומים ואלקטרונים.המתקן בנוי על מאיץ לינארי של 3 ק"מ, שחלקים ממנו מקוררים עם הליום נוזלי עד ל-2 K, כדי לייצר סוג של מקור אור סופר-בהיר ומהיר הנקרא לייזר אלקטרון חופשי (XFEL).כימאים השתמשו בפולסים החזקים של המכשירים כדי ליצור סרטים מולקולריים שאפשרו להם לצפות במספר עצום של תהליכים, כמו קשרים כימיים שנוצרים ואנזימים פוטוסינתטיים שפועלים."בהבזק של פמט שנייה, אתה יכול לראות אטומים עומדים במקום, קשרים אטומיים בודדים נשברים", אמרה ליאורה דרסלהאוז-מארה, מדענית חומרים עם מינויים משותפים באוניברסיטת סטנפורד וב-SLAC, ל-C&EN ביולי.השדרוגים ל-LCLS יאפשרו גם למדענים לכוון טוב יותר את האנרגיות של קרני רנטגן כאשר היכולות החדשות יהיו זמינות בתחילת השנה הבאה.
קרדיט: מעבדת האצה הלאומית של SLAC
לייזר רנטגן של מעבדת האצה הלאומית של SLAC בנוי על מאיץ ליניארי של 3 ק"מ במנלו פארק, קליפורניה.
השנה, מדענים גם ראו עד כמה חזק יכול להיות טלסקופ החלל ג'יימס ווב המיוחל (JWST) לחשיפתהמורכבות הכימית של היקום שלנו.נאס"א ושותפיה - סוכנות החלל האירופית, סוכנות החלל הקנדית והמכון למדע טלסקופ החלל - כבר פרסמו עשרות תמונות, מדיוקנאות מסנוורים של ערפיליות כוכבים ועד לטביעות האצבע היסודיות של גלקסיות עתיקות.טלסקופ האינפרא אדום בשווי 10 מיליארד דולר עטור חבילות של מכשירים מדעיים שנועדו לחקור את ההיסטוריה העמוקה של היקום שלנו.עשרות שנים בהתהוות, ה-JWST כבר עלה על הציפיות של המהנדסים שלו על ידי צילום תמונה של גלקסיה מסתחררת כפי שהופיעה לפני 4.6 מיליארד שנים, עם חתימות ספקטרוסקופיות של חמצן, ניאון ואטומים אחרים.מדענים גם מדדו חתימות של עננים אדים ואובך על כוכב לכת, וסיפקו נתונים שיכולים לעזור לאסטרוביולוגים לחפש עולמות אפשריים למגורים מעבר לכדור הארץ.
זמן פרסום: פברואר 07-2023