Offer enfawr yn datblygu cemeg fawr yn 2022
Helpodd setiau data anferth ac offerynnau enfawr wyddonwyr i fynd i'r afael â chemeg ar raddfa enfawr eleni
ganAriana Remmel
Credyd: Cyfleuster Cyfrifiadura Arweinyddiaeth Oak Ridge yn ORNL
Uwchgyfrifiadur Frontier yn Labordy Cenedlaethol Oak Ridge yw'r cyntaf o genhedlaeth newydd o beiriannau a fydd yn helpu cemegwyr i ymgymryd ag efelychiadau moleciwlaidd sy'n fwy cymhleth nag erioed o'r blaen.
Gwnaeth gwyddonwyr ddarganfyddiadau mawr gydag offer mawr iawn yn 2022. Gan adeiladu ar y duedd ddiweddar o ddeallusrwydd artiffisial cymwys yn gemegol, gwnaeth ymchwilwyr gamau mawr, gan ddysgu cyfrifiaduron i ragweld strwythurau protein ar raddfa nas gwelwyd ei thebyg o'r blaen. Ym mis Gorffennaf, cyhoeddodd y cwmni DeepMind, sy'n eiddo i Alphabet, gronfa ddata yn cynnwys strwythuraubron pob protein hysbys—200 miliwn a mwy o broteinau unigol o dros 100 miliwn o rywogaethau—fel y rhagwelwyd gan yr algorithm dysgu peirianyddol AlphaFold. Yna, ym mis Tachwedd, dangosodd y cwmni technoleg Meta ei gynnydd mewn technoleg rhagfynegi protein gydag algorithm AI o'r enwESMFoldMewn astudiaeth cyn-argraffu nad yw wedi'i hadolygu gan gymheiriaid eto, adroddodd ymchwilwyr Meta nad yw eu algorithm newydd mor gywir ag AlphaFold ond ei fod yn gyflymach. Roedd y cyflymder cynyddol yn golygu y gallai'r ymchwilwyr ragweld 600 miliwn o strwythurau mewn dim ond pythefnos (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Mae biolegwyr yn Ysgol Feddygaeth Prifysgol Washington (UW) yn helpuehangu galluoedd biocemegol cyfrifiaduron y tu hwnt i dempled naturdrwy ddysgu peiriannau i gynnig proteinau pwrpasol o'r dechrau. Creodd David Baker o UW a'i dîm offeryn AI newydd a all ddylunio proteinau naill ai drwy wella awgrymiadau syml yn ailadroddus neu drwy lenwi'r bylchau rhwng rhannau dethol o strwythur presennol (Gwyddoniaeth2022, DOI:10.1126/gwyddoniaeth.abn2100). Hefyd, cyflwynodd y tîm raglen newydd, ProteinMPNN, a all ddechrau o siapiau 3D a chynulliadau wedi'u dylunio o is-unedau protein lluosog ac yna pennu'r dilyniannau asid amino sydd eu hangen i'w gwneud yn effeithlon (Gwyddoniaeth2022, DOI:10.1126/gwyddoniaeth.add2187;10.1126/gwyddoniaeth.add1964Gallai'r algorithmau biocemegol hyn gynorthwyo gwyddonwyr i lunio glasbrintiau ar gyfer proteinau artiffisial y gellid eu defnyddio mewn bioddeunyddiau a fferyllol newydd.
Credyd: Ian C. Haydon/Sefydliad Dylunio Protein Prifysgol Cymru
Mae algorithmau dysgu peirianyddol yn helpu gwyddonwyr i ddyfeisio proteinau newydd gyda swyddogaethau penodol mewn golwg.
Wrth i uchelgeisiau cemegwyr cyfrifiadurol dyfu, felly hefyd y cyfrifiaduron a ddefnyddir i efelychu'r byd moleciwlaidd. Yn Labordy Cenedlaethol Oak Ridge (ORNL), cafodd cemegwyr gipolwg cyntaf ar un o'r uwchgyfrifiaduron mwyaf pwerus a adeiladwyd erioed.Uwchgyfrifiadur graddfa-ecsa ORNL, Frontier, ymhlith y peiriannau cyntaf i gyfrifo mwy nag 1 quintiliwn o weithrediadau arnofiol yr eiliad, sef uned o rifyddeg gyfrifiadurol. Mae'r cyflymder cyfrifiadurol hwnnw tua thair gwaith mor gyflym â'r pencampwr presennol, yr uwchgyfrifiadur Fugaku yn Japan. Yn y flwyddyn nesaf, mae dau labordy cenedlaethol arall yn bwriadu cyflwyno cyfrifiaduron exascale am y tro cyntaf yn yr Unol Daleithiau. Bydd pŵer cyfrifiadurol mawr y peiriannau arloesol hyn yn caniatáu i gemegwyr efelychu systemau moleciwlaidd hyd yn oed yn fwy ac ar raddfeydd amser hirach. Gallai'r data a gesglir o'r modelau hynny helpu ymchwilwyr i wthio ffiniau'r hyn sy'n bosibl mewn cemeg trwy gulhau'r bwlch rhwng yr adweithiau mewn fflasg a'r efelychiadau rhithwir a ddefnyddir i'w modelu. “Rydym ar bwynt lle gallwn ddechrau gofyn cwestiynau go iawn am yr hyn sydd ar goll o'n dulliau neu fodelau damcaniaethol a fyddai'n ein dwyn yn agosach at yr hyn y mae arbrawf yn ei ddweud wrthym sy'n real,” meddai Theresa Windus, cemegydd cyfrifiadurol ym Mhrifysgol Talaith Iowa ac arweinydd prosiect gyda'r Prosiect Cyfrifiadura Exascale, wrth C&EN ym mis Medi. Gallai efelychiadau a gynhelir ar gyfrifiaduron exascale helpu cemegwyr i ddyfeisio ffynonellau tanwydd newydd a dylunio deunyddiau newydd sy'n gydnerth i'r hinsawdd.
Ar draws y wlad, ym Menlo Park, Califfornia, mae Labordy Cyflymydd Cenedlaethol SLAC yn gosoduwchraddiadau cŵl iawn i'r Ffynhonnell Golau Cydlynol Linac (LCLS)gallai hynny ganiatáu i gemegwyr edrych yn ddyfnach i fyd uwch-gyflym atomau ac electronau. Mae'r cyfleuster wedi'i adeiladu ar gyflymydd llinol 3 km, y mae rhannau ohono'n cael eu hoeri â heliwm hylif i lawr i 2 K, i gynhyrchu math o ffynhonnell golau uwch-lachar, uwch-gyflym o'r enw laser electron rhydd pelydr-X (XFEL). Mae cemegwyr wedi defnyddio curiadau pwerus yr offerynnau i wneud ffilmiau moleciwlaidd sydd wedi eu galluogi i wylio llu o brosesau, fel ffurfio bondiau cemegol ac ensymau ffotosynthetig yn mynd i weithio. “Mewn fflach femtoselon, gallwch weld atomau'n sefyll yn llonydd, bondiau atomig sengl yn torri,” meddai Leora Dresselhaus-Marais, gwyddonydd deunyddiau gyda phenodiadau ar y cyd ym Mhrifysgol Stanford a SLAC, wrth C&EN ym mis Gorffennaf. Bydd yr uwchraddiadau i LCLS hefyd yn caniatáu i wyddonwyr diwnio egni pelydrau-X yn well pan fydd y galluoedd newydd ar gael yn gynnar y flwyddyn nesaf.
Credyd: Labordy Cyflymydd Cenedlaethol SLAC
Mae laser pelydr-X Labordy Cyflymydd Cenedlaethol SLAC wedi'i adeiladu ar gyflymydd llinol 3 km ym Menlo Park, Califfornia.
Eleni, gwelodd gwyddonwyr hefyd pa mor bwerus y gallai Telesgop Gofod James Webb (JWST) hir-ddisgwyliedig fod ar gyfer datgelu'rcymhlethdod cemegol ein bydysawdMae NASA a'i phartneriaid—Asiantaeth Ofod Ewrop, Asiantaeth Ofod Canada, a Sefydliad Gwyddoniaeth y Telesgop Gofod—eisoes wedi rhyddhau dwsinau o ddelweddau, o bortreadau disglair o nifylau serol i olion bysedd elfennol galaethau hynafol. Mae'r telesgop is-goch gwerth $10 biliwn wedi'i addurno â chyfres o offerynnau gwyddonol a gynlluniwyd i archwilio hanes dwfn ein bydysawd. Ddegawdau yn y gwaith, mae'r JWST eisoes wedi rhagori ar ddisgwyliadau ei beirianwyr trwy dynnu delwedd o alaeth chwyrlïol fel yr ymddangosodd 4.6 biliwn o flynyddoedd yn ôl, ynghyd ag arwyddion sbectrosgopig o ocsigen, neon, ac atomau eraill. Mesurodd gwyddonwyr hefyd arwyddion cymylau stêm a niwl ar blaned allanol, gan ddarparu data a allai helpu astrobiolegwyr i chwilio am fydau y gallai pobl fyw ynddynt y tu hwnt i'r Ddaear.
Amser postio: Chwefror-07-2023