Eines massives van fer avançar la química a gran escala el 2022. Conjunts de dades gegantins i instruments colossals van ajudar els científics a abordar la química a escala gegant aquest any.

Eines massives van fer avançar la química a la gran escala el 2022

Conjunts de dades gegantins i instruments colossals van ajudar els científics a abordar la química a escala gegant aquest any

perAriana Remmel

Crèdit: Oak Ridge Leadership Computing Facility a l'ORNL

El superordinador Frontier del Laboratori Nacional Oak Ridge és el primer d'una nova generació de màquines que ajudaran els químics a fer simulacions moleculars més complexes que mai.

Els científics van fer grans descobriments amb eines de grans dimensions el 2022. Aprofitant la tendència recent de la intel·ligència artificial químicament competent, els investigadors van fer grans progressos, ensenyant als ordinadors a predir estructures de proteïnes a una escala sense precedents. Al juliol, l'empresa DeepMind, propietat d'Alphabet, va publicar una base de dades que contenia les estructures degairebé totes les proteïnes conegudes—Més de 200 milions de proteïnes individuals de més de 100 milions d'espècies—, tal com prediu l'algoritme d'aprenentatge automàtic AlphaFold. Al novembre, l'empresa tecnològica Meta va demostrar el seu progrés en la tecnologia de predicció de proteïnes amb un algoritme d'IA anomenatESMFoldEn un estudi prepublicat que encara no ha estat revisat per experts, investigadors de Meta van informar que el seu nou algoritme no és tan precís com AlphaFold, però és més ràpid. L'augment de la velocitat va significar que els investigadors podien predir 600 milions d'estructures en només 2 setmanes (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).

Els biòlegs de la Facultat de Medicina de la Universitat de Washington (UW) estan ajudantampliar les capacitats bioquímiques dels ordinadors més enllà del model naturalensenyant a les màquines a proposar proteïnes a mida des de zero. David Baker, de la UW, i el seu equip van crear una nova eina d'IA que pot dissenyar proteïnes millorant iterativament indicacions simples o omplint els buits entre parts seleccionades d'una estructura existent (Ciència2022, DOI:10.1126/science.abn2100). L'equip també va estrenar un nou programa, ProteinMPNN, que pot partir de formes i conjunts 3D dissenyats de múltiples subunitats de proteïnes i després determinar les seqüències d'aminoàcids necessàries per crear-les de manera eficient (Ciència2022, DOI:10.1126/ciència.add2187;10.1126/science.add1964). Aquests algoritmes bioquímicament hàbils podrien ajudar els científics a construir plans per a proteïnes artificials que es podrien utilitzar en nous biomaterials i productes farmacèutics.

Crèdit: Ian C. Haydon/Institut de Disseny de Proteïnes de la UW

Els algoritmes d'aprenentatge automàtic ajuden els científics a idear noves proteïnes amb funcions específiques en ment.

A mesura que creixen les ambicions dels químics computacionals, també ho fan els ordinadors que s'utilitzen per simular el món molecular. Al Laboratori Nacional d'Oak Ridge (ORNL), els químics van poder veure per primera vegada un dels superordinadors més potents mai construïts.El superordinador a exaescala de l'ORNL, Frontier, és una de les primeres màquines a calcular més d'1 quintilió d'operacions flotants per segon, una unitat d'aritmètica computacional. Aquesta velocitat de càlcul és aproximadament tres vegades més ràpida que la del campió regnant, el superordinador Fugaku al Japó. L'any que ve, dos laboratoris nacionals més tenen previst estrenar ordinadors exaescala als Estats Units. La potència informàtica desmesurada d'aquestes màquines d'última generació permetrà als químics simular sistemes moleculars encara més grans i en escales de temps més llargues. Les dades recollides d'aquests models podrien ajudar els investigadors a ampliar els límits del que és possible en química reduint la bretxa entre les reaccions en un matràs i les simulacions virtuals utilitzades per modelar-les. "Estem en un punt en què podem començar a fer-nos preguntes sobre què falta als nostres mètodes o models teòrics que ens aproparia al que un experiment ens diu que és real", va dir a C&EN al setembre Theresa Windus, química computacional de la Universitat Estatal d'Iowa i líder del projecte del Projecte de Computació Exascale. Les simulacions executades en ordinadors exaescala podrien ajudar els químics a inventar noves fonts de combustible i dissenyar nous materials resistents al clima.

A l'altra punta del país, a Menlo Park, Califòrnia, el Laboratori Nacional d'Acceleradors SLAC està instal·lantActualitzacions supercool a la font de llum coherent del Linac (LCLS)que podria permetre als químics aprofundir en el món ultraràpid dels àtoms i els electrons. La instal·lació està construïda sobre un accelerador lineal de 3 km, algunes parts del qual es refreden amb heli líquid fins a 2 K, per produir un tipus de font de llum superbrillant i superràpida anomenada làser d'electrons lliures de raigs X (XFEL). Els químics han utilitzat els potents polsos dels instruments per fer pel·lícules moleculars que els han permès observar innombrables processos, com ara la formació d'enllaços químics i l'acció dels enzims fotosintètics. "En un flaix de femtosegons, es poden veure els àtoms immòbils, els enllaços atòmics individuals trencant-se", va dir a C&EN al juliol Leora Dresselhaus-Marais, científica de materials amb càrrecs conjunts a la Universitat de Stanford i SLAC. Les actualitzacions de LCLS també permetran als científics ajustar millor les energies dels raigs X quan les noves capacitats estiguin disponibles a principis de l'any que ve.

Crèdit: Laboratori Nacional d'Acceleradors SLAC

El làser de raigs X del Laboratori Nacional d'Acceleradors SLAC està construït en un accelerador lineal de 3 km a Menlo Park, Califòrnia.

Aquest any, els científics també van veure la potència que podria tenir el tan esperat telescopi espacial James Webb (JWST) per revelar elcomplexitat química del nostre universLa NASA i els seus socis —l'Agència Espacial Europea, l'Agència Espacial Canadenca i l'Institut de Ciències del Telescopi Espacial— ja han publicat desenes d'imatges, des de retrats enlluernadors de nebuloses estel·lars fins a les empremtes dactilars elementals de galàxies antigues. El telescopi d'infrarojos, de 10.000 milions de dòlars, està equipat amb conjunts d'instruments científics dissenyats per explorar la història profunda del nostre univers. Després de dècades de treball, el JWST ja ha superat les expectatives dels seus enginyers en fer una imatge d'una galàxia giratòria tal com apareixia fa 4.600 milions d'anys, amb signatures espectroscòpiques d'oxigen, neó i altres àtoms. Els científics també van mesurar signatures de núvols vaporosos i boirina en un exoplaneta, proporcionant dades que podrien ajudar els astrobiòlegs a buscar mons potencialment habitables més enllà de la Terra.