Des outils massifs ont permis de faire progresser la chimie à grande échelle en 2022.
Des ensembles de données gigantesques et des instruments colossaux ont aidé les scientifiques à s'attaquer à la chimie à une échelle gigantesque cette année.
parAriana Remmel
Crédit : Centre de calcul haute performance d'Oak Ridge (ORNL)
Le supercalculateur Frontier du Laboratoire national d'Oak Ridge est le premier d'une nouvelle génération de machines qui aideront les chimistes à réaliser des simulations moléculaires plus complexes que jamais.
En 2022, les scientifiques ont réalisé des découvertes majeures grâce à des outils ultra-performants. S'appuyant sur la récente tendance à développer une intelligence artificielle compétente en chimie, les chercheurs ont accompli des progrès considérables, apprenant aux ordinateurs à prédire les structures protéiques à une échelle sans précédent. En juillet, DeepMind, filiale d'Alphabet, a publié une base de données contenant les structures de…presque toutes les protéines connues—Plus de 200 millions de protéines individuelles provenant de plus de 100 millions d'espèces—, comme prédit par l'algorithme d'apprentissage automatique AlphaFold. Puis, en novembre, la société technologique Meta a démontré ses progrès en matière de prédiction des protéines grâce à un algorithme d'IA appeléESMFoldDans une étude préliminaire non encore évaluée par les pairs, les chercheurs de Meta ont indiqué que leur nouvel algorithme, bien que moins précis qu'AlphaFold, est plus rapide. Grâce à cette vitesse accrue, ils ont pu prédire 600 millions de structures en seulement deux semaines (bioRxiv 2022, DOI :10.1101/2022.07.20.500902).
Des biologistes de la faculté de médecine de l'Université de Washington (UW) aidentétendre les capacités biochimiques des ordinateurs au-delà du modèle naturelen apprenant aux machines à proposer des protéines sur mesure à partir de zéro. David Baker et son équipe de l'Université de Washington ont créé un nouvel outil d'IA capable de concevoir des protéines soit en améliorant itérativement des instructions simples, soit en comblant les lacunes entre des parties sélectionnées d'une structure existante (Science2022, DOI :10.1126/science.abn2100L'équipe a également présenté un nouveau programme, ProteinMPNN, capable de partir de formes 3D conçues et d'assemblages de plusieurs sous-unités protéiques, puis de déterminer les séquences d'acides aminés nécessaires à leur synthèse efficace (Science2022, DOI :10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964Ces algorithmes biochimiquement performants pourraient aider les scientifiques à élaborer des modèles de protéines artificielles qui pourraient être utilisées dans de nouveaux biomatériaux et produits pharmaceutiques.
Crédit : Ian C. Haydon/Institut de conception des protéines de l'Université de Washington
Les algorithmes d'apprentissage automatique aident les scientifiques à concevoir de nouvelles protéines dotées de fonctions spécifiques.
À mesure que les ambitions des chimistes computationnels grandissent, la puissance des ordinateurs utilisés pour simuler le monde moléculaire augmente également. Au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), des chimistes ont pu découvrir en avant-première l'un des supercalculateurs les plus puissants jamais construits.Frontier, le supercalculateur exascale d'ORNLCette machine figure parmi les premières à effectuer plus d'un quintillion d'opérations en virgule flottante par seconde, une unité de calcul. Sa vitesse de calcul est environ trois fois supérieure à celle du champion actuel, le supercalculateur Fugaku au Japon. L'année prochaine, deux autres laboratoires nationaux prévoient de mettre en service des ordinateurs exascale aux États-Unis. La puissance de calcul colossale de ces machines de pointe permettra aux chimistes de simuler des systèmes moléculaires encore plus grands et sur des échelles de temps plus longues. Les données recueillies grâce à ces modèles pourraient aider les chercheurs à repousser les limites du possible en chimie en réduisant l'écart entre les réactions observées en laboratoire et les simulations virtuelles utilisées pour les modéliser. « Nous sommes arrivés à un point où nous pouvons commencer à nous interroger sur ce qui manque à nos méthodes ou modèles théoriques pour nous rapprocher de la réalité expérimentale », a déclaré Theresa Windus, chimiste computationnelle à l'Université d'État de l'Iowa et responsable du projet de calcul exascale, à C&EN en septembre. Les simulations réalisées sur des ordinateurs exascale pourraient aider les chimistes à inventer de nouvelles sources de carburant et à concevoir de nouveaux matériaux résistants au changement climatique.
À l'autre bout du pays, à Menlo Park, en Californie, le SLAC National Accelerator Laboratory est en train d'installerAméliorations exceptionnelles apportées à la source de lumière cohérente Linac (LCLS)Cette installation pourrait permettre aux chimistes d'explorer plus en profondeur le monde ultrarapide des atomes et des électrons. Elle repose sur un accélérateur linéaire de 3 km, dont certaines parties sont refroidies à l'hélium liquide jusqu'à 2 K, afin de produire une source de lumière ultrarapide et extrêmement brillante appelée laser à électrons libres à rayons X (XFEL). Les chimistes ont utilisé les puissantes impulsions de cet instrument pour réaliser des films moléculaires qui leur ont permis d'observer une multitude de processus, tels que la formation de liaisons chimiques et l'activité des enzymes photosynthétiques. « En une femtoseconde, on peut voir des atomes s'immobiliser, des liaisons atomiques se rompre », a déclaré Leora Dresselhaus-Marais, chercheuse en science des matériaux rattachée à l'université de Stanford et au SLAC, à C&EN en juillet. Les améliorations apportées au LCLS permettront également aux scientifiques d'ajuster plus précisément l'énergie des rayons X dès que les nouvelles capacités seront disponibles début 2024.
Crédit : Laboratoire national de l'accélérateur SLAC
Le laser à rayons X du SLAC National Accelerator Laboratory est construit sur un accélérateur linéaire de 3 km à Menlo Park, en Californie.
Cette année, les scientifiques ont également pu constater à quel point le télescope spatial James Webb (JWST), tant attendu, pouvait être puissant pour révéler…la complexité chimique de notre universLa NASA et ses partenaires – l’Agence spatiale européenne, l’Agence spatiale canadienne et le Space Telescope Science Institute – ont déjà publié des dizaines d’images, allant de portraits saisissants de nébuleuses stellaires aux signatures spectrales d’anciennes galaxies. Le télescope infrarouge JWST, d’un coût de 10 milliards de dollars, est équipé d’une panoplie d’instruments scientifiques conçus pour explorer l’histoire profonde de notre Univers. Fruit de plusieurs décennies de travail, le JWST a déjà dépassé les attentes de ses ingénieurs en capturant l’image d’une galaxie tourbillonnante telle qu’elle apparaissait il y a 4,6 milliards d’années, avec des signatures spectroscopiques complètes d’oxygène, de néon et d’autres atomes. Les scientifiques ont également mesuré les signatures de nuages vaporeux et de brume sur une exoplanète, fournissant des données qui pourraient aider les astrobiologistes à rechercher des mondes potentiellement habitables au-delà de la Terre.
Date de publication : 7 février 2023