Massive tools ha fatto progredire la grande chimica nel 2022
Giganteschi set di dati e strumenti colossali hanno aiutato gli scienziati ad affrontare la chimica su scala gigante quest'anno
diAriana Remmel
Credito: Oak Ridge Leadership Computing Facility presso ORNL
Il supercomputer Frontier dell'Oak Ridge National Laboratory è il primo di una nuova generazione di macchine che aiuteranno i chimici ad affrontare simulazioni molecolari più complesse che mai.
Gli scienziati hanno fatto grandi scoperte con strumenti sovradimensionati nel 2022. Basandosi sulla recente tendenza dell'intelligenza artificiale chimicamente competente, i ricercatori hanno fatto passi da gigante, insegnando ai computer a prevedere le strutture proteiche su una scala senza precedenti.A luglio, DeepMind, società di proprietà di Alphabet, ha pubblicato un database contenente le strutture diquasi tutte le proteine conosciute— Oltre 200 milioni di singole proteine da oltre 100 milioni di specie, come previsto dall'algoritmo di apprendimento automatico AlphaFold.Quindi, a novembre, la società tecnologica Meta ha dimostrato i suoi progressi nella tecnologia di previsione delle proteine con un algoritmo AI chiamatoESMFold.In uno studio di prestampa che non è stato ancora sottoposto a revisione paritaria, i ricercatori di Meta hanno riferito che il loro nuovo algoritmo non è accurato come AlphaFold ma è più veloce.La maggiore velocità ha consentito ai ricercatori di prevedere 600 milioni di strutture in sole 2 settimane (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
I biologi della School of Medicine dell'Università di Washington (UW) stanno aiutandoespandere le capacità biochimiche dei computer oltre il modello della naturainsegnando alle macchine a proporre proteine su misura da zero.David Baker di UW e il suo team hanno creato un nuovo strumento di intelligenza artificiale in grado di progettare proteine migliorando iterativamente su semplici prompt o colmando gli spazi tra le parti selezionate di una struttura esistente (Scienza2022, DOI:10.1126/scienza.abn2100).Il team ha anche debuttato con un nuovo programma, ProteinMPNN, che può partire da forme 3D progettate e assemblaggi di più subunità proteiche e quindi determinare le sequenze di aminoacidi necessarie per realizzarle in modo efficiente.Scienza2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Questi algoritmi biochimicamente esperti potrebbero aiutare gli scienziati a costruire progetti per proteine artificiali che potrebbero essere utilizzate in nuovi biomateriali e prodotti farmaceutici.
Credito: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Gli algoritmi di apprendimento automatico stanno aiutando gli scienziati a inventare nuove proteine con funzioni specifiche in mente.
Man mano che crescono le ambizioni dei chimici computazionali, crescono anche i computer usati per simulare il mondo molecolare.All'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), i chimici hanno dato una prima occhiata a uno dei supercomputer più potenti mai costruiti.Il supercomputer a esascala di ORNL, Frontier, è tra le prime macchine a calcolare più di 1 quintilione di operazioni in virgola mobile al secondo, un'unità dell'aritmetica computazionale.Quella velocità di calcolo è circa tre volte più veloce del campione in carica, il supercomputer Fugaku in Giappone.Nel prossimo anno, altri due laboratori nazionali prevedono di far debuttare i computer exascale negli Stati Uniti.La straordinaria potenza del computer di queste macchine all'avanguardia consentirà ai chimici di simulare sistemi molecolari ancora più grandi e su scale temporali più lunghe.I dati raccolti da questi modelli potrebbero aiutare i ricercatori a spingere i confini di ciò che è possibile in chimica, riducendo il divario tra le reazioni in un pallone e le simulazioni virtuali utilizzate per modellarle."Siamo a un punto in cui possiamo davvero iniziare a porre domande su cosa manca ai nostri metodi o modelli teorici che ci avvicinerebbero a ciò che un esperimento ci sta dicendo che è reale", Theresa Windus, un chimico computazionale dell'Iowa State University e responsabile del progetto Exascale Computing Project, ha dichiarato a C&EN a settembre.Le simulazioni eseguite su computer a esascala potrebbero aiutare i chimici a inventare nuove fonti di combustibile e progettare nuovi materiali resistenti al clima.
In tutto il paese, a Menlo Park, in California, si sta installando lo SLAC National Accelerator Laboratoryfantastici aggiornamenti alla Linac Coherent Light Source (LCLS)che potrebbe consentire ai chimici di scrutare più a fondo nel mondo ultraveloce di atomi ed elettroni.La struttura è costruita su un acceleratore lineare di 3 km, parti del quale sono raffreddate con elio liquido fino a 2 K, per produrre un tipo di sorgente luminosa superluminosa e superveloce chiamata laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL).I chimici hanno utilizzato i potenti impulsi degli strumenti per realizzare filmati molecolari che hanno permesso loro di osservare una miriade di processi, come la formazione di legami chimici e il funzionamento degli enzimi fotosintetici."In un lampo di femtosecondi, puoi vedere gli atomi fermi, singoli legami atomici che si rompono", ha detto a luglio a C&EN Leora Dresselhaus-Marais, scienziata dei materiali con incarichi congiunti presso la Stanford University e lo SLAC.Gli aggiornamenti a LCLS consentiranno inoltre agli scienziati di regolare meglio le energie dei raggi X quando le nuove funzionalità saranno disponibili all'inizio del prossimo anno.
Credito: SLAC National Accelerator Laboratory
Il laser a raggi X dello SLAC National Accelerator Laboratory è costruito su un acceleratore lineare di 3 km a Menlo Park, in California.
Quest'anno, gli scienziati hanno anche visto quanto potrebbe essere potente il tanto atteso James Webb Space Telescope (JWST) per rivelare ilcomplessità chimica del nostro universo.La NASA e i suoi partner - l'Agenzia spaziale europea, l'Agenzia spaziale canadese e lo Space Telescope Science Institute - hanno già rilasciato dozzine di immagini, dai ritratti abbaglianti di nebulose stellari alle impronte elementali di antiche galassie.Il telescopio a infrarossi da 10 miliardi di dollari è decorato con suite di strumenti scientifici progettati per esplorare la storia profonda del nostro universo.Dopo decenni di lavoro, il JWST ha già superato le aspettative dei suoi ingegneri scattando un'immagine di una galassia vorticosa come appariva 4,6 miliardi di anni fa, completa di firme spettroscopiche di ossigeno, neon e altri atomi.Gli scienziati hanno anche misurato le firme di nuvole vaporose e foschia su un pianeta extrasolare, fornendo dati che potrebbero aiutare gli astrobiologi a cercare mondi potenzialmente abitabili oltre la Terra.
Tempo di pubblicazione: febbraio-07-2023