2022年に大規模なツールが化学の進歩を促進
巨大なデータセットと巨大な機器のおかげで、科学者たちは今年、巨大なスケールで化学研究に取り組むことができた。
によるアリアナ・レメル
クレジット: ORNLのオークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング施設
オークリッジ国立研究所のフロンティア スーパーコンピュータは、化学者がこれまで以上に複雑な分子シミュレーションを実行するのに役立つ新世代マシンの最初のものです。
2022年、科学者たちは超大型のツールを用いて大きな発見を成し遂げました。近年の化学的に優れた人工知能のトレンドを背景に、研究者たちはコンピューターに前例のない規模でタンパク質の構造を予測させるという大きな進歩を遂げました。7月には、アルファベット傘下のディープマインドが、タンパク質の構造を含むデータベースを公開しました。ほぼすべての既知のタンパク質機械学習アルゴリズム「AlphaFold」は、1億種以上の2億個以上のタンパク質を予測しました。そして11月には、テクノロジー企業Metaが「タンパク質予測技術」の進歩をAIアルゴリズム「AlphaFold」で実証しました。ESMFoldMetaの研究者らは、まだ査読を受けていないプレプリント研究において、新しいアルゴリズムはAlphaFoldほど正確ではないものの、より高速であると報告しました。速度の向上により、研究者らはわずか2週間で6億個の構造を予測することができました（bioRxiv 2022、DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
ワシントン大学医学部の生物学者たちは、コンピュータの生化学的能力を自然のテンプレートを超えて拡張する機械にゼロから特注のタンパク質を提案するように教えることで、タンパク質を設計できる。ワシントン大学のデイビッド・ベイカーと彼のチームは、シンプルなプロンプトを繰り返し改善するか、既存の構造の選択された部分間のギャップを埋めることでタンパク質を設計できる新しいAIツールを開発した（科学2022年、DOI:10.1126/science.abn2100）。研究チームはまた、設計された3D形状と複数のタンパク質サブユニットのアセンブリから始めて、それらを効率的に製造するために必要なアミノ酸配列を決定することができる新しいプログラム、ProteinMPNNを発表しました（科学2022年、DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964）。これらの生化学的に優れたアルゴリズムは、科学者が新しい生体材料や医薬品に使用できる人工タンパク質の設計図を作成するのに役立つ可能性があります。
クレジット: イアン・C・ヘイドン/ワシントン大学タンパク質設計研究所
機械学習アルゴリズムは、科学者が特定の機能を念頭に置いた新しいタンパク質を考案するのに役立っています。
計算化学者の野望が大きくなるにつれ、分子の世界をシミュレートするために使われるコンピュータも進化しています。オークリッジ国立研究所（ORNL）では、化学者たちが史上最強のスーパーコンピュータの一つを初めて目にしました。ORNLのエクサスケールスーパーコンピュータ、Frontierは、1秒あたり1京回以上の浮動小数点演算（計算演算の単位）を実行した最初のマシンの1つです。この計算速度は、現チャンピオンである日本のスーパーコンピュータ「富岳」の約3倍の速さです。来年、さらに2つの国立研究所が米国でエクサスケールコンピュータを導入する予定です。これらの最先端マシンの並外れた計算パワーにより、化学者はさらに大きな分子系をより長い時間スケールでシミュレートできるようになります。これらのモデルから収集されたデータは、フラスコ内の反応とそれらをモデル化するために使用される仮想シミュレーションとの間のギャップを狭めることで、研究者が化学で可能なことの限界を押し広げるのに役立つ可能性があります。「実験が私たちに現実であると示しているものに近づくための理論的手法やモデルに何が欠けているのか、真に問い始めることができる段階に私たちはいます」と、アイオワ州立大学の計算化学者でエクサスケールコンピューティングプロジェクトのプロジェクトリーダーであるテレサ・ウィンダス氏は9月にC&ENに語っています。エクサスケール コンピューターで実行されるシミュレーションは、化学者が新しい燃料源を発明したり、気候に強い新しい材料を設計したりするのに役立つ可能性があります。
国をまたいで、カリフォルニア州メンロパークでは、SLAC国立加速器研究所がリニアックコヒーレント光源（LCLS）の超冷却アップグレードこれにより、化学者は原子と電子の超高速の世界をより深く覗くことができるようになる。この施設は、3 kmの線形加速器上に構築されており、一部は液体ヘリウムで2 Kまで冷却され、X線自由電子レーザー（XFEL）と呼ばれる超高輝度、超高速光源の一種を生成する。化学者は、この装置の強力なパルスを使用して分子ムービーを撮影し、化学結合の形成や光合成酵素の働きなど、さまざまなプロセスを観察できる。「フェムト秒の閃光の中で、原子が静止し、単一の原子結合が切断されるのを見ることができます」と、スタンフォード大学とSLACの両方に所属する材料科学者のレオラ・ドレスハウス＝マレは7月にC&ENに語った。LCLSのアップグレードにより、新しい機能が来年初めに利用可能になったときに、科学者はX線のエネルギーをより適切に調整することも可能になる。
クレジット: SLAC国立加速器研究所
SLAC 国立加速器研究所の X 線レーザーは、カリフォルニア州メンロパークの 3 km 線形加速器上に構築されています。
今年、科学者たちは、待ちに待ったジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が、私たちの宇宙の化学的複雑さNASAとそのパートナーである欧州宇宙機関（ESA）、カナダ宇宙機関（CSA）、宇宙望遠鏡科学研究所（STSI）は、星雲のまばゆいばかりのポートレートから古代銀河の元素の痕跡まで、すでに数十枚の画像を公開している。100億ドルの費用をかけて建設されたこの赤外線望遠鏡には、宇宙の奥深い歴史を探るために設計された一連の科学機器が搭載されている。数十年にわたる開発期間を経て、JWSTは既にエンジニアたちの期待を上回る成果を上げ、46億年前の渦巻銀河の姿を捉え、酸素、ネオン、その他の原子の分光学的特徴を捉えている。科学者たちはまた、太陽系外惑星の蒸気雲やもやの特徴も測定し、宇宙生物学者が地球外の居住可能な惑星を探索するのに役立つデータを提供している。
投稿日時: 2023年2月7日