Alat besar-besaran memajukan kimia besar pada tahun 2022 Kumpulan data raksasa dan instrumen kolosal membantu ilmuwan mengatasi kimia dalam skala raksasa tahun ini

Alat besar-besaran memajukan kimia besar pada tahun 2022

Kumpulan data raksasa dan instrumen kolosal membantu para ilmuwan menangani kimia dalam skala raksasa tahun ini

olehAriana Remel

Kredit: Fasilitas Komputasi Kepemimpinan Oak Ridge di ORNL

Superkomputer Frontier di Laboratorium Nasional Oak Ridge adalah yang pertama dari mesin generasi baru yang akan membantu ahli kimia melakukan simulasi molekuler yang lebih kompleks daripada sebelumnya.

Ilmuwan membuat penemuan besar dengan alat berukuran super pada tahun 2022. Berdasarkan tren baru-baru ini tentang kecerdasan buatan yang kompeten secara kimiawi, para peneliti membuat langkah besar, mengajar komputer untuk memprediksi struktur protein dalam skala yang belum pernah terjadi sebelumnya.Pada bulan Juli, perusahaan milik Alphabet, DeepMind, menerbitkan database yang berisi struktur darihampir semua protein yang dikenal—200 juta lebih protein individu dari lebih dari 100 juta spesies—seperti yang diprediksi oleh algoritme pembelajaran mesin AlphaFold.Kemudian, pada bulan November, perusahaan teknologi Meta mendemonstrasikan kemajuannya dalam teknologi prediksi protein dengan algoritma AI yang disebutESMFold.Dalam studi pracetak yang belum ditinjau oleh rekan sejawat, peneliti Meta melaporkan bahwa algoritme baru mereka tidak seakurat AlphaFold tetapi lebih cepat.Peningkatan kecepatan berarti bahwa para peneliti dapat memprediksi 600 juta struktur hanya dalam 2 minggu (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Ahli biologi di Fakultas Kedokteran Universitas Washington (UW) membantumemperluas kemampuan biokimia komputer di luar template alamdengan mengajar mesin untuk mengusulkan protein yang dipesan lebih dahulu dari awal.David Baker dari UW dan timnya menciptakan alat AI baru yang dapat mendesain protein dengan meningkatkan secara iteratif pada permintaan sederhana atau dengan mengisi celah di antara bagian-bagian tertentu dari struktur yang ada (Sains2022, DOI:10.1126/science.abn2100).Tim juga meluncurkan program baru, ProteinMPNN, yang dapat dimulai dari bentuk 3D yang dirancang dan rakitan beberapa subunit protein dan kemudian menentukan urutan asam amino yang diperlukan untuk membuatnya efisien (Sains2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Algoritme yang cerdas secara biokimia ini dapat membantu para ilmuwan dalam membangun cetak biru untuk protein buatan yang dapat digunakan dalam biomaterial dan obat-obatan baru.

Kredit: Institut Desain Protein Ian C. Haydon/UW

Algoritme pembelajaran mesin membantu para ilmuwan memimpikan protein baru dengan mempertimbangkan fungsi spesifik.

Seiring berkembangnya ambisi ahli kimia komputasi, komputer yang digunakan untuk mensimulasikan dunia molekul juga ikut berkembang.Di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL), ahli kimia melihat sekilas salah satu superkomputer terkuat yang pernah dibuat.Superkomputer exascale ORNL, Frontier, adalah salah satu mesin pertama yang menghitung lebih dari 1 triliun operasi mengambang per detik, sebuah unit aritmatika komputasi.Kecepatan komputasi itu sekitar tiga kali lebih cepat dari sang juara bertahan, superkomputer Fugaku di Jepang.Tahun depan, dua laboratorium nasional lagi berencana meluncurkan komputer exascale di AS.Kekuatan komputer yang sangat besar dari mesin canggih ini akan memungkinkan ahli kimia untuk mensimulasikan sistem molekuler yang lebih besar dan dalam rentang waktu yang lebih lama.Data yang dikumpulkan dari model tersebut dapat membantu para peneliti mendorong batas-batas dari apa yang mungkin dalam kimia dengan mempersempit kesenjangan antara reaksi dalam labu dan simulasi virtual yang digunakan untuk memodelkannya."Kita berada pada titik di mana kita dapat mulai benar-benar mengajukan pertanyaan tentang apa yang hilang dari metode atau model teoretis kita yang akan membawa kita lebih dekat ke apa yang menurut eksperimen nyata," Theresa Windus, ahli kimia komputasi di Iowa Universitas Negeri dan pemimpin proyek dengan Exascale Computing Project, kepada C&EN pada bulan September.Simulasi yang dijalankan pada komputer exascale dapat membantu ahli kimia menemukan sumber bahan bakar baru dan merancang bahan tahan iklim baru.

Di seluruh negeri, di Menlo Park, California, Laboratorium Akselerator Nasional SLAC sedang dipasangpeningkatan supercool ke Linac Coherent Light Source (LCLS)yang memungkinkan ahli kimia untuk mengintip lebih dalam ke dunia atom dan elektron yang sangat cepat.Fasilitas ini dibangun di atas akselerator linier sepanjang 3 km, yang sebagian didinginkan dengan helium cair hingga 2 K, untuk menghasilkan sejenis sumber cahaya super terang dan super cepat yang disebut laser elektron bebas sinar-X (XFEL).Kimiawan telah menggunakan pulsa instrumen yang kuat untuk membuat film molekuler yang memungkinkan mereka menyaksikan berbagai proses, seperti pembentukan ikatan kimia dan enzim fotosintesis yang bekerja."Dalam sekejap femtosecond, Anda dapat melihat atom diam, ikatan atom tunggal putus," Leora Dresselhaus-Marais, seorang ilmuwan material dengan janji temu bersama di Universitas Stanford dan SLAC, mengatakan kepada C&EN pada bulan Juli.Upgrade ke LCLS juga akan memungkinkan para ilmuwan untuk menyesuaikan energi sinar-X dengan lebih baik ketika kemampuan baru tersedia awal tahun depan.

Kredit: Laboratorium Akselerator Nasional SLAC

Laser sinar-X SLAC National Accelerator Laboratory dibangun di atas akselerator linier 3 km di Menlo Park, California.

Tahun ini, para ilmuwan juga melihat seberapa kuat Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) yang telah lama ditunggu-tunggu untuk mengungkapkompleksitas kimia alam semesta kita.NASA dan mitranya—European Space Agency, Canadian Space Agency, dan Space Telescope Science Institute—telah merilis lusinan gambar, mulai dari potret nebula bintang yang memesona hingga sidik jari unsur galaksi kuno.Teleskop inframerah senilai $10 miliar ini dilengkapi dengan rangkaian instrumen ilmiah yang dirancang untuk menjelajahi sejarah mendalam alam semesta kita.Pembuatannya selama beberapa dekade, JWST telah mengungguli ekspektasi para insinyurnya dengan memotret gambar galaksi berputar seperti yang muncul 4,6 miliar tahun lalu, lengkap dengan tanda spektroskopi oksigen, neon, dan atom lainnya.Para ilmuwan juga mengukur tanda awan beruap dan kabut di planet ekstrasurya, memberikan data yang dapat membantu ahli astrobiologi mencari dunia yang berpotensi layak huni di luar Bumi.