เครื่องมือขนาดใหญ่ได้ผลักดันความก้าวหน้าทางเคมีครั้งใหญ่ในปี 2022
ชุดข้อมูลขนาดใหญ่และเครื่องมือขนาดมหึมาช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถแก้ไขปัญหาทางเคมีในระดับมหาศาลได้ในปีนี้
โดยอาริอาน่า เรมเมล
เครดิตภาพ: ศูนย์คอมพิวเตอร์เพื่อการพัฒนาความเป็นผู้นำ Oak Ridge ที่ ORNL
ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Frontier ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge เป็นเครื่องแรกในเครื่องจักรเจเนอเรชั่นใหม่ที่จะช่วยให้นักเคมีสามารถทำการจำลองโมเลกุลที่ซับซ้อนกว่าที่เคยเป็นมาได้
ในปี 2022 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบครั้งใหญ่ด้วยเครื่องมือขนาดยักษ์ โดยอาศัยกระแสความนิยมล่าสุดของปัญญาประดิษฐ์ที่มีความสามารถทางเคมี นักวิจัยได้ก้าวหน้าอย่างมากในการสอนคอมพิวเตอร์ให้ทำนายโครงสร้างโปรตีนในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน ในเดือนกรกฎาคม บริษัท DeepMind ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ Alphabet ได้เผยแพร่ฐานข้อมูลที่มีโครงสร้างของโปรตีนโปรตีนที่รู้จักเกือบทั้งหมด—โปรตีนมากกว่า 200 ล้านชนิดจากสิ่งมีชีวิตกว่า 100 ล้านสายพันธุ์—ตามที่ทำนายโดยอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง AlphaFold ต่อมาในเดือนพฤศจิกายน บริษัทเทคโนโลยี Meta ได้แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการทำนายโปรตีนด้วยอัลกอริทึม AI ที่เรียกว่าอีเอสเอ็มโฟลด์ในงานวิจัยฉบับร่างที่ยังไม่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ นักวิจัยของ Meta รายงานว่าอัลกอริทึมใหม่ของพวกเขามีความแม่นยำน้อยกว่า AlphaFold แต่เร็วกว่า ความเร็วที่เพิ่มขึ้นหมายความว่านักวิจัยสามารถทำนายโครงสร้างได้ 600 ล้านโครงสร้างในเวลาเพียง 2 สัปดาห์ (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
นักชีววิทยาจากคณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยวอชิงตัน (UW) กำลังให้ความช่วยเหลือขยายขีดความสามารถทางชีวเคมีของคอมพิวเตอร์ให้เหนือกว่าแบบแผนของธรรมชาติโดยการสอนเครื่องจักรให้เสนอโปรตีนที่กำหนดเองตั้งแต่เริ่มต้น เดวิด เบเกอร์ จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันและทีมของเขาได้สร้างเครื่องมือ AI ใหม่ที่สามารถออกแบบโปรตีนได้โดยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องจากคำแนะนำง่ายๆ หรือโดยการเติมช่องว่างระหว่างส่วนที่เลือกของโครงสร้างที่มีอยู่แล้ว (ศาสตร์2022, DOI:10.1126/science.abn2100นอกจากนี้ ทีมงานยังได้เปิดตัวโปรแกรมใหม่ ProteinMPNN ซึ่งสามารถเริ่มต้นจากรูปทรง 3 มิติที่ออกแบบไว้และการประกอบของหน่วยย่อยโปรตีนหลายหน่วย จากนั้นจึงกำหนดลำดับกรดอะมิโนที่จำเป็นในการสร้างโปรตีนเหล่านั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ (ศาสตร์2022, DOI:10.1126/science.add2187-10.1126/science.add1964อัลกอริทึมที่ชาญฉลาดทางชีวเคมีเหล่านี้สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการสร้างแบบจำลองโปรตีนสังเคราะห์ที่สามารถนำไปใช้ในวัสดุชีวภาพและยาชนิดใหม่ได้
เครดิตภาพ: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องกำลังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คิดค้นโปรตีนใหม่ๆ ที่มีหน้าที่เฉพาะเจาะจงได้
เมื่อความทะเยอทะยานของนักเคมีเชิงคำนวณเพิ่มมากขึ้น คอมพิวเตอร์ที่ใช้จำลองโลกโมเลกุลก็พัฒนาขึ้นเช่นกัน ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ (ORNL) นักเคมีได้เห็นเครื่องซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดเครื่องหนึ่งเท่าที่เคยสร้างมาเป็นครั้งแรกซูเปอร์คอมพิวเตอร์ระดับเอ็กซาสเกลของ ORNL ที่ชื่อ Frontierคอมพิวเตอร์เครื่องนี้เป็นหนึ่งในเครื่องแรกๆ ที่สามารถคำนวณเลขทศนิยมได้มากกว่า 1 ควินทิลเลียนต่อวินาที ซึ่งเป็นหน่วยของการคำนวณทางคณิตศาสตร์ ความเร็วในการคำนวณนี้เร็วกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ฟูกากุในญี่ปุ่นซึ่งเป็นแชมป์ปัจจุบันถึงประมาณสามเท่า ในปีหน้า ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอีกสองแห่งในสหรัฐอเมริกาวางแผนที่จะเปิดตัวคอมพิวเตอร์ระดับเอ็กซาสเกล พลังการคำนวณมหาศาลของเครื่องจักรล้ำสมัยเหล่านี้จะช่วยให้นักเคมีสามารถจำลองระบบโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นและในระยะเวลาที่ยาวนานขึ้นได้ ข้อมูลที่รวบรวมจากแบบจำลองเหล่านั้นจะช่วยให้นักวิจัยผลักดันขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ในวิชาเคมีโดยการลดช่องว่างระหว่างปฏิกิริยาในขวดทดลองกับการจำลองเสมือนจริงที่ใช้ในการสร้างแบบจำลอง “เรามาถึงจุดที่สามารถเริ่มตั้งคำถามได้แล้วว่าอะไรคือสิ่งที่ขาดหายไปจากวิธีการหรือแบบจำลองทางทฤษฎีของเรา ซึ่งจะทำให้เราเข้าใกล้ความจริงที่ได้จากการทดลองมากขึ้น” เทเรซา วินดัส นักเคมีเชิงคำนวณจากมหาวิทยาลัยไอโอวา สเตท และหัวหน้าโครงการ Exascale Computing Project กล่าวกับ C&EN ในเดือนกันยายน การจำลองที่ดำเนินการบนคอมพิวเตอร์ระดับเอ็กซาสเกลอาจช่วยให้นักเคมีคิดค้นแหล่งเชื้อเพลิงใหม่ๆ และออกแบบวัสดุที่ทนทานต่อสภาพภูมิอากาศได้
อีกด้านหนึ่งของประเทศ ที่เมืองเมนโลพาร์ค รัฐแคลิฟอร์เนีย ห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC กำลังติดตั้งอุปกรณ์ใหม่การอัปเกรดสุดเจ๋งสำหรับแหล่งกำเนิดแสงโคherent Linac (LCLS)สิ่งนี้จะช่วยให้นักเคมีสามารถสำรวจโลกของอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น สิ่งอำนวยความสะดวกนี้สร้างขึ้นบนเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นขนาด 3 กิโลเมตร ซึ่งบางส่วนถูกทำให้เย็นลงด้วยฮีเลียมเหลวจนถึง 2 เคลวิน เพื่อสร้างแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างมากและเร็วมากชนิดหนึ่งที่เรียกว่าเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์ (XFEL) นักเคมีได้ใช้พัลส์อันทรงพลังของเครื่องมือนี้ในการสร้างภาพยนตร์ระดับโมเลกุล ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถสังเกตกระบวนการต่างๆ มากมาย เช่น การก่อตัวของพันธะเคมีและการทำงานของเอนไซม์สังเคราะห์แสง “ในชั่วพริบตาเดียว คุณสามารถเห็นอะตอมหยุดนิ่ง พันธะอะตอมเดี่ยวแตกออก” เลโอรา เดรสเซลเฮาส์-มาราอิส นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่มีตำแหน่งร่วมที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและ SLAC กล่าวกับ C&EN ในเดือนกรกฎาคม การอัพเกรด LCLS จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับพลังงานของรังสีเอ็กซ์ได้ดียิ่งขึ้นเมื่อความสามารถใหม่นี้พร้อมใช้งานในช่วงต้นปีหน้า
เครดิตภาพ: ห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC
เลเซอร์เอ็กซ์เรย์ของห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC สร้างขึ้นบนเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นขนาด 3 กิโลเมตร ในเมืองเมนโลพาร์ค รัฐแคลิฟอร์เนีย
ในปีนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นแล้วว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) ที่รอคอยมานานนั้นมีศักยภาพมากเพียงใดในการเปิดเผยสิ่งต่างๆความซับซ้อนทางเคมีของจักรวาลของเรานาซาและพันธมิตร ได้แก่ องค์การอวกาศยุโรป องค์การอวกาศแคนาดา และสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ ได้เผยแพร่ภาพถ่ายหลายสิบภาพแล้ว ตั้งแต่ภาพเนบิวลาดวงดาวที่สวยงามตระการตา ไปจนถึงร่องรอยธาตุของกาแล็กซีโบราณ กล้องโทรทรรศน์อินฟราเรดมูลค่า 10 พันล้านดอลลาร์นี้ติดตั้งอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์มากมายที่ออกแบบมาเพื่อสำรวจประวัติศาสตร์อันยาวนานของจักรวาลของเรา กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็ด (JWST) ซึ่งใช้เวลาสร้างมานานหลายทศวรรษ ได้ทำงานได้เกินความคาดหวังของวิศวกรแล้ว โดยสามารถถ่ายภาพกาแล็กซีที่หมุนวนเมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อน พร้อมด้วยร่องรอยทางสเปกโทรสโกปีของออกซิเจน นีออน และอะตอมอื่นๆ นักวิทยาศาสตร์ยังได้วัดร่องรอยของเมฆไอน้ำและหมอกบนดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ซึ่งให้ข้อมูลที่อาจช่วยนักชีววิทยาอวกาศในการค้นหาโลกที่อาจมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ได้นอกโลกของเรา
วันที่โพสต์: 7 กุมภาพันธ์ 2566