เครื่องมือขนาดใหญ่ช่วยพัฒนาเคมีครั้งใหญ่ในปี 2565
ชุดข้อมูลขนาดมหึมาและเครื่องมือขนาดมหึมาช่วยให้นักวิทยาศาสตร์จัดการกับวิชาเคมีในระดับมหาศาลในปีนี้
โดยอาเรียน่า เรมเมล
เครดิต: Oak Ridge Leadership Computing Facility ที่ ORNL
ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Frontier ที่ Oak Ridge National Laboratory เป็นเครื่องจักรรุ่นใหม่เครื่องแรกที่จะช่วยให้นักเคมีทำการจำลองโมเลกุลที่ซับซ้อนกว่าที่เคยเป็นมา
นักวิทยาศาสตร์ทำการค้นพบครั้งใหญ่ด้วยเครื่องมือขนาดใหญ่พิเศษในปี 2022 จากแนวโน้มล่าสุดของปัญญาประดิษฐ์ที่มีความสามารถทางเคมี นักวิจัยก้าวไปอย่างยิ่งใหญ่ โดยสอนคอมพิวเตอร์ให้ทำนายโครงสร้างโปรตีนในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนในเดือนกรกฎาคม DeepMind บริษัท Alphabet ได้เผยแพร่ฐานข้อมูลที่มีโครงสร้างของโปรตีนที่รู้จักเกือบทั้งหมด—โปรตีนแต่ละตัวมากกว่า 200 ล้านตัวจากกว่า 100 ล้านสปีชีส์—ตามที่อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่อง AlphaFold ทำนายไว้จากนั้นในเดือนพฤศจิกายน Meta บริษัทเทคโนโลยีได้แสดงความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการทำนายโปรตีนด้วยอัลกอริทึม AI ที่เรียกว่าESMFพับ.ในการศึกษาก่อนพิมพ์ที่ยังไม่ผ่านการตรวจสอบโดยเพื่อน นักวิจัย Meta รายงานว่าอัลกอริทึมใหม่ของพวกเขาไม่แม่นยำเท่า AlphaFold แต่เร็วกว่าความเร็วที่เพิ่มขึ้นหมายความว่านักวิจัยสามารถทำนายโครงสร้าง 600 ล้านชิ้นในเวลาเพียง 2 สัปดาห์ (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
นักชีววิทยาจากคณะแพทยศาสตร์มหาวิทยาลัยวอชิงตัน (UW) กำลังให้ความช่วยเหลือขยายความสามารถทางชีวเคมีของคอมพิวเตอร์ให้เหนือกว่าแม่แบบธรรมชาติโดยสอนเครื่องให้เสนอโปรตีนตามความต้องการตั้งแต่เริ่มต้นDavid Baker จาก UW และทีมของเขาได้สร้างเครื่องมือ AI ใหม่ที่สามารถออกแบบโปรตีนโดยการปรับปรุงซ้ำๆ บนคำสั่งง่ายๆ หรือโดยการเติมช่องว่างระหว่างส่วนที่เลือกของโครงสร้างที่มีอยู่ (ศาสตร์พ.ศ. 2565 ดอย:10.1126/science.abn2100).ทีมงานยังเปิดตัวโปรแกรมใหม่ชื่อ ProteinMPNN ซึ่งสามารถเริ่มต้นจากการออกแบบรูปร่าง 3 มิติและส่วนประกอบของหน่วยย่อยโปรตีนหลายหน่วย จากนั้นกำหนดลำดับกรดอะมิโนที่จำเป็นเพื่อให้มีประสิทธิภาพ (ศาสตร์พ.ศ. 2565 ดอย:10.1126/sci.add2187;10.1126/science.add1964).อัลกอริทึมที่เชี่ยวชาญทางชีวเคมีเหล่านี้สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการสร้างพิมพ์เขียวสำหรับโปรตีนเทียมที่สามารถใช้ในวัสดุชีวภาพและเภสัชกรรมใหม่ๆ
เครดิต: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องกำลังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ฝันถึงโปรตีนชนิดใหม่โดยคำนึงถึงหน้าที่เฉพาะ
เมื่อความทะเยอทะยานของนักเคมีเชิงคำนวณเติบโตขึ้น คอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการจำลองโลกของโมเลกุลก็เช่นกันที่ Oak Ridge National Laboratory (ORNL) นักเคมีได้เห็นหนึ่งในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาFrontier ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ exascale ของ ORNLเป็นหนึ่งในเครื่องจักรเครื่องแรกที่คำนวณการดำเนินการลอยตัวมากกว่า 1 quintillion ต่อวินาที ซึ่งเป็นหน่วยของการคำนวณทางคณิตศาสตร์ความเร็วในการประมวลผลนั้นเร็วเป็นสามเท่าของ Fugaku ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ครองแชมป์ในญี่ปุ่นในปีหน้า ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอีกสองแห่งวางแผนที่จะเปิดตัวคอมพิวเตอร์ exascale ในสหรัฐอเมริกาพลังคอมพิวเตอร์ที่เกินขนาดของเครื่องที่ล้ำสมัยเหล่านี้จะช่วยให้นักเคมีสามารถจำลองระบบโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นและในช่วงเวลาที่ยาวขึ้นได้ข้อมูลที่รวบรวมจากแบบจำลองเหล่านั้นสามารถช่วยให้นักวิจัยขยายขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ในวิชาเคมีโดยลดช่องว่างระหว่างปฏิกิริยาในขวดแก้วกับการจำลองเสมือนจริงที่ใช้ในการสร้างแบบจำลอง“เราอยู่ในจุดที่เราสามารถเริ่มถามคำถามจริงๆ ว่าอะไรคือสิ่งที่ขาดหายไปจากวิธีการทางทฤษฎีหรือแบบจำลองของเรา ซึ่งจะทำให้เราเข้าใกล้สิ่งที่การทดลองบอกเราว่าเป็นเรื่องจริง” เทเรซ่า วินดัส นักเคมีด้านการคำนวณที่ไอโอวา State University และหัวหน้าโครงการ Exascale Computing Project กล่าวกับ C&EN ในเดือนกันยายนการจำลองที่ทำงานบนคอมพิวเตอร์ exascale สามารถช่วยให้นักเคมีคิดค้นแหล่งเชื้อเพลิงใหม่และออกแบบวัสดุใหม่ที่ยืดหยุ่นต่อสภาพอากาศได้
ทั่วประเทศ ใน Menlo Park, California กำลังติดตั้ง SLAC National Accelerator Laboratorysupercool อัปเกรดเป็น Linac Coherent Light Source (LCLS)ที่สามารถช่วยให้นักเคมีมองลึกเข้าไปในโลกที่เร็วมากของอะตอมและอิเล็กตรอนสิ่งอำนวยความสะดวกนี้สร้างขึ้นบนตัวเร่งความเร็วเชิงเส้น 3 กม. ซึ่งบางส่วนถูกทำให้เย็นลงด้วยฮีเลียมเหลวจนถึง 2 K เพื่อผลิตแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างเป็นพิเศษและเร็วมากที่เรียกว่า X-ray free-electron laser (XFEL)นักเคมีใช้พัลส์อันทรงพลังของเครื่องมือสร้างภาพยนตร์ระดับโมเลกุลที่ช่วยให้พวกเขาดูกระบวนการมากมาย เช่น การสร้างพันธะเคมีและเอนไซม์สังเคราะห์แสงที่กำลังทำงานLeora Dresselhaus-Marais นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุซึ่งได้รับการแต่งตั้งร่วมกันที่ Stanford University และ SLAC กล่าวกับ C&EN ในเดือนกรกฎาคมว่า "ในแฟลช femtosecond คุณสามารถเห็นอะตอมหยุดนิ่ง พันธะอะตอมเดี่ยวแตกสลาย"การอัปเกรดเป็น LCLS ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับพลังงานของรังสีเอกซ์ได้ดีขึ้นเมื่อความสามารถใหม่พร้อมใช้งานในต้นปีหน้า
เครดิต: SLAC National Accelerator Laboratory
เลเซอร์เอ็กซ์เรย์ของ SLAC National Accelerator Laboratory สร้างขึ้นจากเครื่องเร่งความเร็วเชิงเส้น 3 กม. ใน Menlo Park รัฐแคลิฟอร์เนีย
ในปีนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังได้เห็นว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (JWST) ที่รอคอยมานานนั้นทรงพลังเพียงใดที่สามารถเปิดเผยความซับซ้อนทางเคมีของเอกภพของเรา.NASA และพันธมิตร ได้แก่ องค์การอวกาศยุโรป องค์การอวกาศแคนาดา และสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ ได้เผยแพร่ภาพหลายสิบภาพแล้ว ตั้งแต่ภาพถ่ายเนบิวลาดาวฤกษ์ที่พร่างพรายไปจนถึงรอยนิ้วมือของกาแล็กซีโบราณกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรดมูลค่า 1 หมื่นล้านดอลลาร์ประดับประดาด้วยชุดเครื่องมือวิทยาศาสตร์ที่ออกแบบมาเพื่อสำรวจประวัติศาสตร์อันลึกซึ้งของจักรวาลของเราทศวรรษในการสร้าง JWST มีประสิทธิภาพเหนือความคาดหมายของวิศวกรด้วยการถ่ายภาพกาแล็กซีหมุนวนเมื่อมันปรากฏขึ้นเมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อน พร้อมลายเซ็นสเปกโทรสโกปีของออกซิเจน นีออน และอะตอมอื่นๆนักวิทยาศาสตร์ยังได้วัดลายเซ็นของเมฆไอน้ำและหมอกควันบนดาวเคราะห์นอกระบบ ซึ่งให้ข้อมูลที่สามารถช่วยให้นักโหราศาสตร์ค้นหาโลกที่อาจอยู่อาศัยได้นอกโลก
เวลาโพสต์: ก.พ.-07-2566