Enorme instrumenten hebben de grootschalige chemie in 2022 een boost gegeven.
Gigantische datasets en kolossale instrumenten hielpen wetenschappers dit jaar om chemie op gigantische schaal aan te pakken.
doorAriana Remmel
Bron: Oak Ridge Leadership Computing Facility bij ORNL
De Frontier-supercomputer in het Oak Ridge National Laboratory is de eerste van een nieuwe generatie machines die chemici zullen helpen bij het uitvoeren van moleculaire simulaties die complexer zijn dan ooit tevoren.
Wetenschappers deden in 2022 grote ontdekkingen met behulp van geavanceerde instrumenten. Voortbouwend op de recente trend van chemisch competente kunstmatige intelligentie, boekten onderzoekers grote vooruitgang door computers te leren eiwitstructuren op een ongekende schaal te voorspellen. In juli publiceerde DeepMind, een dochteronderneming van Alphabet, een database met de structuren vanvrijwel alle bekende eiwitten—meer dan 200 miljoen individuele eiwitten van meer dan 100 miljoen soorten—zoals voorspeld door het machine learning-algoritme AlphaFold. Vervolgens demonstreerde het technologiebedrijf Meta in november zijn vooruitgang in eiwitvoorspellingstechnologie met een AI-algoritme genaamdESMFoldIn een preprint-studie die nog niet door vakgenoten is beoordeeld, meldden Meta-onderzoekers dat hun nieuwe algoritme niet zo nauwkeurig is als AlphaFold, maar wel sneller. Door de hogere snelheid konden de onderzoekers in slechts twee weken 600 miljoen structuren voorspellen (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Biologen van de faculteit geneeskunde van de Universiteit van Washington (UW) helpen hierbij.De biochemische mogelijkheden van computers uitbreiden voorbij het sjabloon van de natuurdoor machines te leren om van nul af aan op maat gemaakte eiwitten voor te stellen. David Baker van de Universiteit van Washington en zijn team hebben een nieuwe AI-tool ontwikkeld die eiwitten kan ontwerpen door iteratief eenvoudige aanwijzingen te verbeteren of door de gaten tussen geselecteerde delen van een bestaande structuur op te vullen.Wetenschap2022, DOI:10.1126/science.abn2100Het team introduceerde ook een nieuw programma, ProteinMPNN, dat kan beginnen met ontworpen 3D-vormen en samenstellingen van meerdere eiwitsubeenheden en vervolgens de aminozuursequenties kan bepalen die nodig zijn om ze efficiënt te maken.Wetenschap2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964Deze biochemisch geavanceerde algoritmen zouden wetenschappers kunnen helpen bij het ontwikkelen van blauwdrukken voor kunstmatige eiwitten die gebruikt kunnen worden in nieuwe biomaterialen en geneesmiddelen.
Foto: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Machine learning-algoritmen helpen wetenschappers bij het bedenken van nieuwe eiwitten met specifieke functies.
Naarmate de ambities van computationele chemici groeien, worden ook de computers die worden gebruikt om de moleculaire wereld te simuleren steeds geavanceerder. Bij Oak Ridge National Laboratory (ORNL) kregen chemici een eerste blik op een van de krachtigste supercomputers die ooit zijn gebouwd.De exascale supercomputer Frontier van ORNLHet is een van de eerste machines die meer dan 1 quintiljoen drijvende-komma-bewerkingen per seconde kan uitvoeren, een eenheid in de rekenkunde. Die rekensnelheid is ongeveer drie keer zo hoog als die van de huidige kampioen, de supercomputer Fugaku in Japan. Volgend jaar zijn nog twee nationale laboratoria van plan om exascale-computers in de VS te introduceren. De enorme rekenkracht van deze geavanceerde machines stelt chemici in staat om nog grotere moleculaire systemen te simuleren, en dat over langere tijdschalen. De gegevens die met deze modellen worden verzameld, kunnen onderzoekers helpen de grenzen van wat mogelijk is in de chemie te verleggen door de kloof te verkleinen tussen de reacties in een reactievat en de virtuele simulaties die worden gebruikt om ze te modelleren. "We zijn op een punt gekomen waarop we ons echt kunnen afvragen wat er ontbreekt in onze theoretische methoden of modellen om dichter bij de werkelijkheid te komen", vertelde Theresa Windus, computationeel chemicus aan de Iowa State University en projectleider van het Exascale Computing Project, in september aan C&EN. Simulaties uitgevoerd op exascale computers kunnen chemici helpen bij het ontwikkelen van nieuwe brandstofbronnen en het ontwerpen van nieuwe klimaatbestendige materialen.
Aan de andere kant van het land, in Menlo Park, Californië, installeert het SLAC National Accelerator Laboratory onderdelen.Supercoole upgrades voor de Linac Coherent Light Source (LCLS)Dat zou chemici in staat kunnen stellen om dieper in de ultrasnelle wereld van atomen en elektronen te kijken. De faciliteit is gebouwd op een lineaire versneller van 3 km, waarvan delen worden gekoeld met vloeibaar helium tot 2 K, om een superheldere, supersnelle lichtbron te produceren die een röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL) wordt genoemd. Chemici hebben de krachtige pulsen van het instrument gebruikt om moleculaire films te maken waarmee ze talloze processen konden observeren, zoals de vorming van chemische bindingen en de werking van fotosynthetische enzymen. "In een flits van een femtoseconde kun je atomen zien stilstaan en individuele atoomverbindingen zien breken", vertelde Leora Dresselhaus-Marais, materiaalkundige met een dubbele aanstelling aan Stanford University en SLAC, in juli aan C&EN. De upgrades aan LCLS zullen wetenschappers ook in staat stellen de energie van röntgenstralen beter af te stemmen wanneer de nieuwe mogelijkheden begin volgend jaar beschikbaar komen.
Bron: SLAC National Accelerator Laboratory
De röntgenlaser van het SLAC National Accelerator Laboratory is gebouwd op een 3 km lange lineaire versneller in Menlo Park, Californië.
Dit jaar zagen wetenschappers ook hoe krachtig de langverwachte James Webb-ruimtetelescoop (JWST) zou kunnen zijn voor het onthullen van dechemische complexiteit van ons universumNASA en haar partners – de European Space Agency, de Canadian Space Agency en het Space Telescope Science Institute – hebben al tientallen beelden vrijgegeven, van schitterende portretten van stellaire nevels tot de elementaire vingerafdrukken van oude sterrenstelsels. De infraroodtelescoop van 10 miljard dollar is uitgerust met een reeks wetenschappelijke instrumenten die zijn ontworpen om de diepe geschiedenis van ons universum te onderzoeken. De JWST, waaraan decennia is gewerkt, heeft de verwachtingen van de ingenieurs al overtroffen door een beeld te maken van een wervelend sterrenstelsel zoals het er 4,6 miljard jaar geleden uitzag, compleet met spectroscopische signalen van zuurstof, neon en andere atomen. Wetenschappers hebben ook signalen gemeten van dampwolken en nevel op een exoplaneet, gegevens die astrobiologen kunnen helpen bij de zoektocht naar potentieel bewoonbare werelden buiten de aarde.
Geplaatst op: 7 februari 2023