Các công cụ khổng lồ đã thúc đẩy ngành hóa học quy mô lớn trong năm 2022.
Các bộ dữ liệu khổng lồ và các thiết bị đồ sộ đã giúp các nhà khoa học giải quyết vấn đề hóa học trên quy mô lớn trong năm nay.
quaAriana Remmel
Nguồn ảnh: Trung tâm tính toán lãnh đạo Oak Ridge tại ORNL.
Siêu máy tính Frontier tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge là thiết bị đầu tiên thuộc thế hệ máy móc mới, giúp các nhà hóa học thực hiện các mô phỏng phân tử phức tạp hơn bao giờ hết.
Năm 2022, các nhà khoa học đã có những khám phá lớn nhờ các công cụ siêu hiện đại. Dựa trên xu hướng gần đây về trí tuệ nhân tạo có khả năng hóa học, các nhà nghiên cứu đã đạt được những bước tiến lớn, dạy máy tính dự đoán cấu trúc protein ở quy mô chưa từng có. Vào tháng 7, công ty DeepMind thuộc sở hữu của Alphabet đã công bố một cơ sở dữ liệu chứa cấu trúc của...hầu hết tất cả các protein đã biết—Hơn 200 triệu protein riêng lẻ từ hơn 100 triệu loài—như được dự đoán bởi thuật toán học máy AlphaFold. Sau đó, vào tháng 11, công ty công nghệ Meta đã chứng minh sự tiến bộ của mình trong công nghệ dự đoán protein với một thuật toán AI có tên gọi làESMFoldTrong một nghiên cứu chưa được bình duyệt, các nhà nghiên cứu của Meta báo cáo rằng thuật toán mới của họ không chính xác bằng AlphaFold nhưng nhanh hơn. Tốc độ tăng lên đồng nghĩa với việc các nhà nghiên cứu có thể dự đoán 600 triệu cấu trúc chỉ trong 2 tuần (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Các nhà sinh vật học tại Trường Y thuộc Đại học Washington (UW) đang giúp đỡMở rộng khả năng sinh hóa của máy tính vượt ra ngoài khuôn mẫu tự nhiên.Bằng cách dạy máy móc đề xuất các protein được thiết kế riêng từ đầu. David Baker của Đại học Washington và nhóm của ông đã tạo ra một công cụ AI mới có thể thiết kế protein bằng cách cải tiến lặp đi lặp lại dựa trên các gợi ý đơn giản hoặc bằng cách lấp đầy khoảng trống giữa các phần được chọn của một cấu trúc hiện có.Khoa học2022, DOI:10.1126/science.abn2100Nhóm nghiên cứu cũng ra mắt một chương trình mới, ProteinMPNN, có thể bắt đầu từ các hình dạng 3D được thiết kế và các cụm gồm nhiều tiểu đơn vị protein, sau đó xác định trình tự axit amin cần thiết để tạo ra chúng một cách hiệu quả.Khoa học2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964Các thuật toán am hiểu về sinh hóa này có thể hỗ trợ các nhà khoa học xây dựng bản thiết kế cho các protein nhân tạo, có thể được sử dụng trong các vật liệu sinh học và dược phẩm mới.
Nguồn ảnh: Ian C. Haydon/Viện Thiết kế Protein UW
Các thuật toán học máy đang giúp các nhà khoa học hình dung ra những loại protein mới với các chức năng cụ thể.
Khi tham vọng của các nhà hóa học tính toán ngày càng lớn, thì các máy tính được sử dụng để mô phỏng thế giới phân tử cũng phát triển theo. Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL), các nhà hóa học đã có cái nhìn đầu tiên về một trong những siêu máy tính mạnh nhất từng được chế tạo.Siêu máy tính exascale của ORNL, FrontierĐây là một trong những cỗ máy đầu tiên có khả năng tính toán hơn 1 triệu tỷ phép toán dấu phẩy động mỗi giây, một đơn vị của số học tính toán. Tốc độ tính toán này nhanh hơn khoảng ba lần so với siêu máy tính Fugaku của Nhật Bản, hiện đang giữ kỷ lục về tốc độ này. Trong năm tới, hai phòng thí nghiệm quốc gia khác dự kiến sẽ ra mắt máy tính exascale tại Mỹ. Sức mạnh tính toán khổng lồ của những cỗ máy hiện đại này sẽ cho phép các nhà hóa học mô phỏng các hệ thống phân tử lớn hơn và trong khoảng thời gian dài hơn. Dữ liệu thu thập được từ các mô hình đó có thể giúp các nhà nghiên cứu vượt qua giới hạn của những gì có thể trong hóa học bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa các phản ứng trong bình thí nghiệm và các mô phỏng ảo được sử dụng để mô hình hóa chúng. “Chúng ta đang ở thời điểm mà chúng ta có thể bắt đầu thực sự đặt câu hỏi về những gì còn thiếu trong các phương pháp hoặc mô hình lý thuyết của chúng ta, điều gì sẽ giúp chúng ta tiến gần hơn đến những gì một thí nghiệm đang cho chúng ta biết là có thật”, Theresa Windus, một nhà hóa học tính toán tại Đại học bang Iowa và là người đứng đầu dự án của Dự án Máy tính Exascale, đã nói với C&EN vào tháng 9. Các mô phỏng chạy trên máy tính siêu lớn (exascale) có thể giúp các nhà hóa học phát minh ra các nguồn nhiên liệu mới và thiết kế các vật liệu mới có khả năng chống chịu biến đổi khí hậu.
Trên khắp đất nước, tại Menlo Park, California, Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC đang lắp đặtNhững nâng cấp tuyệt vời cho nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS)Điều này có thể cho phép các nhà hóa học nghiên cứu sâu hơn về thế giới siêu nhanh của các nguyên tử và electron. Cơ sở này được xây dựng trên một máy gia tốc tuyến tính dài 3 km, một số bộ phận được làm lạnh bằng heli lỏng xuống đến 2 K, để tạo ra một loại nguồn sáng siêu sáng, siêu nhanh gọi là laser electron tự do tia X (XFEL). Các nhà hóa học đã sử dụng các xung mạnh mẽ của thiết bị để tạo ra các đoạn phim phân tử, cho phép họ quan sát vô số quá trình, chẳng hạn như sự hình thành liên kết hóa học và hoạt động của các enzyme quang hợp. “Trong một tia chớp femto giây, bạn có thể thấy các nguyên tử đứng yên, các liên kết nguyên tử đơn lẻ bị phá vỡ”, Leora Dresselhaus-Marais, một nhà khoa học vật liệu kiêm nhiệm tại Đại học Stanford và SLAC, nói với C&EN vào tháng 7. Việc nâng cấp LCLS cũng sẽ cho phép các nhà khoa học điều chỉnh tốt hơn năng lượng của tia X khi các khả năng mới được đưa vào sử dụng vào đầu năm tới.
Nguồn ảnh: Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC
Tia laser X của Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC được xây dựng trên một máy gia tốc tuyến tính dài 3 km tại Menlo Park, California.
Năm nay, các nhà khoa học cũng đã chứng kiến sức mạnh to lớn của Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) được mong đợi từ lâu trong việc hé lộ những điều mới mẻ.sự phức tạp về mặt hóa học của vũ trụ chúng taNASA và các đối tác của họ—Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, Cơ quan Vũ trụ Canada và Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian—đã công bố hàng chục hình ảnh, từ những bức chân dung rực rỡ của các tinh vân sao đến dấu vết nguyên tố của các thiên hà cổ đại. Kính viễn vọng hồng ngoại trị giá 10 tỷ đô la này được trang bị hàng loạt các thiết bị khoa học được thiết kế để khám phá lịch sử sâu xa của vũ trụ chúng ta. Được chế tạo trong nhiều thập kỷ, JWST đã vượt xa kỳ vọng của các kỹ sư bằng cách chụp được hình ảnh của một thiên hà xoáy như nó xuất hiện cách đây 4,6 tỷ năm, hoàn chỉnh với các dấu hiệu quang phổ của oxy, neon và các nguyên tử khác. Các nhà khoa học cũng đã đo được dấu hiệu của những đám mây hơi nước và sương mù trên một hành tinh ngoài hệ mặt trời, cung cấp dữ liệu có thể giúp các nhà sinh vật học vũ trụ tìm kiếm các thế giới có khả năng sinh sống ngoài Trái đất.
Thời gian đăng bài: 07/02/2023