Massive tools brachten grote chemie vooruit in 2022
Gigantische datasets en kolossale instrumenten hielpen wetenschappers dit jaar om de chemie op gigantische schaal aan te pakken
doorAriana Remmel
Credit: Oak Ridge Leadership Computing Facility bij ORNL
De Frontier-supercomputer van het Oak Ridge National Laboratory is de eerste van een nieuwe generatie machines die scheikundigen zal helpen moleculaire simulaties uit te voeren die complexer zijn dan ooit tevoren.
Wetenschappers hebben in 2022 grote ontdekkingen gedaan met supergrote tools. Voortbouwend op de recente trend van chemisch competente kunstmatige intelligentie, hebben onderzoekers grote vooruitgang geboekt door computers te leren eiwitstructuren op een ongekende schaal te voorspellen.In juli publiceerde het bedrijf DeepMind, eigendom van Alphabet, een database met de structuren vanbijna alle bekende eiwitten—Meer dan 200 miljoen individuele eiwitten van meer dan 100 miljoen soorten – zoals voorspeld door het machine learning-algoritme AlphaFold.Toen, in november, demonstreerde het technologiebedrijf Meta zijn vooruitgang op het gebied van eiwitvoorspellingstechnologie met een AI-algoritme genaamdESMFold.In een preprint-studie die nog niet door vakgenoten is beoordeeld, meldden Meta-onderzoekers dat hun nieuwe algoritme niet zo nauwkeurig is als AlphaFold, maar sneller is.Door de verhoogde snelheid konden de onderzoekers in slechts 2 weken tijd 600 miljoen structuren voorspellen (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Biologen van de University of Washington (UW) School of Medicine helpende biochemische mogelijkheden van computers uitbreiden tot buiten het patroon van de natuurdoor machines te leren om vanaf nul op maat gemaakte eiwitten voor te stellen.David Baker en zijn team van UW creëerden een nieuwe AI-tool 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/wetenschap.abn2100).Het team debuteerde ook met een nieuw programma, ProteinMPNN, dat kan uitgaan van ontworpen 3D-vormen en assemblages van meerdere eiwitsubeenheden en vervolgens de aminozuursequenties kan bepalen die nodig zijn om ze efficiënt te maken (Wetenschap2022, DOI:10.1126/wetenschap.add2187;10.1126/wetenschap.add1964).Deze biochemisch onderlegde algoritmen zouden wetenschappers kunnen helpen bij het bouwen van blauwdrukken voor kunstmatige eiwitten die kunnen worden gebruikt in nieuwe biomaterialen en farmaceutische producten.
Krediet: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Algoritmen voor machinaal leren helpen wetenschappers bij het bedenken van nieuwe eiwitten met specifieke functies in gedachten.
Naarmate de ambities van computationele chemici groeien, groeien ook de computers die worden gebruikt om de moleculaire wereld te simuleren.Bij Oak Ridge National Laboratory (ORNL) kregen scheikundigen een eerste glimp van een van de krachtigste supercomputers ooit gebouwd.ORNL's exascale supercomputer, Frontier, is een van de eerste machines die meer dan 1 triljoen drijvende bewerkingen per seconde berekent, een rekenkundige eenheid.Die rekensnelheid is ongeveer drie keer zo hoog als die van de regerend kampioen, de supercomputer Fugaku in Japan.In het komende jaar zijn nog twee nationale laboratoria van plan om exaschaalcomputers in de VS te introduceren.De buitenmaatse computerkracht van deze ultramoderne machines stelt chemici in staat om nog grotere moleculaire systemen en op langere tijdschalen te simuleren.De gegevens die uit die modellen zijn verzameld, kunnen onderzoekers helpen de grenzen van wat mogelijk is in de chemie te verleggen door de kloof tussen de reacties in een kolf en de virtuele simulaties die worden gebruikt om ze te modelleren, te verkleinen."We zijn op een punt gekomen waarop we echt vragen kunnen gaan stellen over wat er ontbreekt in onze theoretische methoden of modellen die ons dichter bij wat een experiment ons vertelt dat echt is, zou kunnen brengen", zegt Theresa Windus, een computationele chemicus in Iowa. Staatsuniversiteit en projectleider bij het Exascale Computing Project, vertelde C&EN in september.Simulaties die op exaschaalcomputers worden uitgevoerd, kunnen scheikundigen helpen nieuwe brandstofbronnen te bedenken en nieuwe klimaatbestendige materialen te ontwerpen.
In het hele land, in Menlo Park, Californië, wordt het SLAC National Accelerator Laboratory geïnstalleerdsupercoole upgrades voor de Linac Coherent Light Source (LCLS)waarmee chemici dieper in de ultrasnelle wereld van atomen en elektronen kunnen kijken.De faciliteit is gebouwd op een lineaire versneller van 3 km, waarvan delen worden gekoeld met vloeibaar helium tot 2 K, om een soort superheldere, supersnelle lichtbron te produceren die een X-ray free-electron laser (XFEL) wordt genoemd.Chemici hebben de krachtige pulsen van de instrumenten gebruikt om moleculaire films te maken die hen in staat hebben gesteld om talloze processen te bekijken, zoals het vormen van chemische bindingen en het aan het werk zetten van fotosynthetische enzymen."In een flits van een femtoseconde zie je atomen stilstaan, enkele atomaire bindingen breken", vertelde Leora Dresselhaus-Marais, een materiaalwetenschapper met gezamenlijke aanstellingen aan Stanford University en SLAC, in juli aan C&EN.De upgrades naar LCLS zullen wetenschappers ook in staat stellen om de energieën van röntgenstralen beter af te stemmen wanneer de nieuwe mogelijkheden begin volgend jaar beschikbaar komen.
Krediet: SLAC National Accelerator Laboratory
De röntgenlaser van SLAC National Accelerator Laboratory is gebouwd op een lineaire versneller van 3 km in Menlo Park, Californië.
Dit jaar zagen wetenschappers ook hoe krachtig de langverwachte James Webb Space Telescope (JWST) zou kunnen zijn om dechemische complexiteit van ons universum.NASA en zijn partners - de European Space Agency, de Canadian Space Agency en het Space Telescope Science Institute - hebben al tientallen afbeeldingen vrijgegeven, van oogverblindende portretten van stellaire nevels tot de elementaire vingerafdrukken van oude sterrenstelsels.De infraroodtelescoop van $ 10 miljard is uitgedost met reeksen wetenschappelijke instrumenten die zijn ontworpen om de diepe geschiedenis van ons universum te verkennen.Tientallen jaren in de maak, heeft de JWST de verwachtingen van zijn ingenieurs al overtroffen door een afbeelding te maken van een wervelend sterrenstelsel zoals het er 4,6 miljard jaar geleden uitzag, compleet met spectroscopische handtekeningen van zuurstof, neon en andere atomen.Wetenschappers hebben ook handtekeningen gemeten van stomende wolken en nevel op een exoplaneet, wat gegevens opleverde die astrobiologen zouden kunnen helpen bij het zoeken naar potentieel bewoonbare werelden buiten de aarde.
Posttijd: 07-02-2023