Newswise – برنامه‌هایی برای ترکیب قابلیت‌های دو تسهیلات فناوری پیشرفته که توسط دفتر علوم وزارت انرژی تامین می‌شود، نوید آغاز دوره جدیدی از زیست‌شناسی ساختاری پویا را می‌دهد. از طریق DOE زیرساخت های تحقیقاتی یکپارچهیا IRI، ابتکار، امکانات، با وجود فاصله نزدیک به 2500 مایل، مکمل فناوری های یکدیگر در جستجوی علم خواهند بود.

این منبع نور منسجم Linacیا LCLS که در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی DOE’s SLAC در کالیفرنیا قرار دارد، دینامیک ساختاری اتم ها و مولکول ها را از طریق تصاویر اشعه ایکس ارائه شده توسط یک شتاب دهنده خطی در مقیاس های زمانی فوق سریع نشان می دهد. با راه اندازی سال گذشته ارتقاء LCLS-II، حداکثر تعداد عکس های فوری آن از 120 پالس در ثانیه به 1 میلیون پالس در ثانیه افزایش می یابد و بنابراین یک ابزار جدید قدرتمند برای تحقیقات علمی ارائه می شود. همچنین به این معنی است که محققان مقادیر بسیار بیشتری از داده ها را برای تجزیه و تحلیل تولید خواهند کرد.

فرانتیر، قدرتمندترین ابر رایانه علمی جهان، در سال 2022 در آزمایشگاه ملی Oak Ridge DOE در تنسی راه اندازی شد. به عنوان اولین سیستم مقیاس اگزا – که قادر به انجام یک کوئینتیلیون یا بیشتر محاسبات در ثانیه است – شبیه سازی ها را در مقیاس و وضوح بی سابقه ای اجرا می کند.

در داخل IRI، تیمی از ORNL و SLAC در حال ایجاد پورتال داده ای هستند که به Frontier اجازه می دهد تا نتایج آزمایش های انجام شده توسط LCLS-II را پردازش کند. دانشمندان و کاربران LCLS از قدرت محاسباتی ORNL برای مطالعه داده‌های خود، اجرای شبیه‌سازی‌ها و اطلاع‌رسانی سریع‌تر آزمایش‌های در حال انجام خود، همه در یک چارچوب یکپارچه، استفاده خواهند کرد.

توسعه دهندگان پشت این گردش کار هم افزایی قصد دارند آن را نقشه راهی برای همکاری علمی آینده در سراسر امکانات DOE قرار دهند و این گردش کار را در سند منتشر شده در نظر فعلی در زیست شناسی ساختاری. نویسندگان شامل محققین ساندرا ماس، فرد پویتوین و مارک هانتر از SLAC و دیلیپ آستاگیری و تام بک از ORNL هستند.

“این یک دوره واقعا هیجان انگیز رشد سریع همزمان در تاسیسات آزمایشی مانند LCLS-II و کامپیوترهای exascale با مرز. بک، مدیر بخش مشارکت علمی در مرکز ملی علوم محاسباتی DOE در ORNL گفت: مقاله ما پیشرفت‌های تجربی و شبیه‌سازی اخیر در تحقیقات دینامیک زیست مولکولی در سطح اتمی را خلاصه می‌کند و چشم‌اندازی برای ادغام این پیشرفت‌ها ارائه می‌کند.

این همکاری از طریق بحث و گفتگو بین بک و هانتر در مورد ماموریت مشترک آزمایشگاه های آنها برای مقابله با علم “بزرگ” و نحوه تجمیع منابع آنها شکل گرفت.

ما این ابررایانه‌های شگفت‌انگیز را داریم که از ORNL شروع می‌شود و شتاب‌دهنده خطی با سرعت پالس بالا ابررسانا جدید در LCLS از نظر نوع داده‌هایی که می‌توانیم جمع‌آوری کنیم، دگرگون‌کننده خواهد بود.» گرفتن این داده ها سخت است، اما ما اکنون محاسباتی در مقیاسی داریم که می تواند آن ها را ردیابی کند. هانتر، دانشمند ارشد LCLS و رئیس دپارتمان علوم زیستی، گفت: اگر این دو را با هم جفت کنید، چشم‌اندازی که ما می‌خواهیم نشان دهیم این است که این ترکیب برای علوم زیستی و سایر علوم در حال پیشرفت است.

هنگامی که LCLS اولیه در سال 2009 شروع به کار کرد، یک فناوری پیشگامانه برای مطالعه آرایش اتمی مولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها یا اسیدهای نوکلئیک معرفی کرد: لیزرهای الکترون آزاد اشعه ایکس یا XFEL. در مقایسه با روش‌های قبلی که از منابع نور سنکروترون استفاده می‌کردند، XFELها روشنایی را تا حد زیادی افزایش می‌دهند، به طوری که فوتون‌های پرتو ایکس بیشتری برای کاوش نمونه استفاده می‌شوند. علاوه بر این، این اشعه ایکس به شکل پالس های نور لیزری ارسال می شود که تنها چند ده فمتوثانیه طول می کشد، و این در زمان بسیار فشرده تر از سایر منابع نور است.

اگرچه اشعه ایکس وضوح فضایی را برای درک مکان اتم ها در فضا فراهم می کند، اما آنها همچنین تشعشعات یونیزان هستند، بنابراین اساساً برای ساختارهایی که دانشمندان در تلاش برای درک آن هستند مضر هستند. هر چه مدت زمان طولانی تر باشد، آسیب بیشتری به نمونه وارد می شود.

از نظر تاریخی، همه این تعاریف ساختار یک مسابقه بوده است. آیا می توانید اطلاعات مورد نیاز خود را با وضوح فضایی بالا به دست آورید تا قبل از اینکه آن نمونه را با اشعه ایکس به جایی برسانید که دیگر معرف نباشد؟ LCLS باعث شد همه پرتوهای ایکس سریعتر از واکنش مولکول به آنها ظاهر شوند و بنابراین رقابت بین جمع آوری اطلاعات و آسیب رساندن به ساختار شکسته شد – تا زمانی که یک پالس LCLS می رسد نمونه آسیب نمی بیند.

با توانایی LCLS-II برای گرفتن سریع اشعه ایکس بیشتر در هر نمونه، ممکن است بتواند رویدادهای نادری را ثبت کند که در غیر این صورت غیرقابل مشاهده بودند.

ماوس، دانشمند دانشمند در SLAC و نویسنده اصلی مقاله این تیم، می‌گوید: «حالت‌های کوتاه‌مدت بسیار مهمی در زیست‌شناسی وجود دارد که متأسفانه در حال حاضر ما همیشه به دلیل طول عمر محدود آن‌ها را نمی‌گیریم». اما با LCLS-II، ما واقعاً می‌توانیم عکس‌های فوری بیشتری بگیریم که به ما امکان می‌دهد این رویدادهای نادر را مشاهده کنیم و دینامیک و مکانیسم زیست مولکول‌ها را خیلی بهتر درک کنیم.»

در یک آزمایش معمولی، LCLS اصلی می‌تواند 120 پالس پرتو ایکس در هر ثانیه به نمونه‌ها بتاباند، در نتیجه حدود 120 تصویر در ثانیه یا 1 تا 10 گیگابایت داده تصویر در ثانیه تولید می‌کند که همه آنها توسط زیرساخت محاسباتی داخلی SLAC پردازش می‌شوند. . با قابلیت های پیشرفته شتاب دهنده خطی ابررسانا جدید، می تواند به طور بالقوه 1 میلیون پالس اشعه ایکس در هر ثانیه به نمونه ها ارسال کند و در نتیجه حداکثر 1 ترابایت داده تصویر در ثانیه ایجاد کند.

“این حداقل 1000 برابر بیشتر از کاری است که ما امروز انجام می دهیم، بنابراین با حجم داده هایی که در یک هفته به آن عادت کرده ایم، اکنون باید این کار را ظرف یک ساعت انجام دهیم. و ما دیگر نمی توانیم این کار را به صورت محلی انجام دهیم. پویتوین، یکی از همکاران تحقیقاتی در بخش سیستم‌های داده LCLS، گفت: فوران‌هایی وجود خواهد داشت که باید داده‌ها را به جایی بفرستیم که واقعاً بتوانیم آن‌ها را مطالعه کنیم – در غیر این صورت آن‌ها را از دست خواهیم داد.

Poitevin توسعه ابزارهای محاسباتی برای زیرساخت داده LCLS، از جمله رابط برنامه نویسی کاربردی برای پورتال داده جدید، که در اوایل سال جاری آزمایش خود را بر روی ابررایانه نسل قبلی ORNL، Summit آغاز کرد، رهبری می کند. هر دو Summit و Frontier توسط Oak Ridge Leadership Computing Facility اداره می شوند که یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE واقع در ORNL است. زمان محاسباتی این پروژه در Summit از طریق برنامه DOE’s SummitPLUS اختصاص یافت، که عملیات ابررایانه را تا اکتبر 2024 با 108 پروژه که گستره تحقیقات علمی را پوشش می دهد، تمدید می کند.

«با قابلیت‌های سرعت بالای تکرار شتاب‌دهنده خطی جدید، آزمایش‌ها اکنون با سرعت بسیار بیشتری انجام می‌شوند. ما باید نوعی بازخورد را آماده کنیم که برای کاربران مفید باشد و نمی توانیم یک هفته صبر کنیم زیرا این آزمایش فقط چند روز طول می کشد.” ما باید حلقه بین تجزیه و تحلیل و کنترل آزمایش را ببندیم. چگونه می‌توانیم نتایج تحلیل‌های خود را در سراسر کشور دریافت کنیم، سپس اطلاعاتی را که به موقع برای تصمیم‌گیری درست لازم است، بازگردانیم؟»

این نکته در جریان کار جدید است که شامل دانشمندان ارشد زیست پزشکی محاسباتی آستاگیری و بک است. آستاگیری به عنوان بخشی از گروه محاسبات پیشرفته علوم و مهندسی ORNL در زمینه شبیه سازی بیومولکولی تخصص دارد. قدرت محاسباتی Frontier به آن اجازه می‌دهد تا روش‌های محاسباتی را با داده‌های LCLS-II توسعه دهد که به دانشمندان اجازه می‌دهد به‌موقع اطلاعات را به سرعت برای دانشمندان SLAC ارسال کنند.

آستاگیری گفت: «تطابق تقریباً یک به یک بین آزمایش‌های XFEL و شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، احتمالات جالبی را به وجود می‌آورد. برای مثال، شبیه‌سازی‌ها اطلاعاتی در مورد پاسخ ماکرومولکول‌ها به شرایط مختلف خارجی ارائه می‌کنند و این را می‌توان در آزمایش‌ها بررسی کرد. به همین ترتیب، تلاش برای گرفتن حالت های ساختاری مشاهده شده به صورت تجربی می تواند مدل های شبیه سازی را اطلاع دهد.

LCLS-II در حال حاضر در حال راه اندازی است، اما هانتر تخمین می زند که مطالعات بیولوژیکی این ابزار در حدود سه سال آینده افزایش خواهد یافت و تیم از پورتال داده در ORNL برای چندین پروژه در این مدت استفاده خواهد کرد. با توانایی بسیار بهبود یافته LCLS-II برای ثبت طیف وسیعی از حرکات مولکولی و با تجزیه و تحلیل فرانتیر از داده ها، هانتر به تأثیر این پروژه بر علم اطمینان دارد. به‌عنوان مثال، دستیابی به درک جدیدی از پویایی ساختاری پروتئین‌ها می‌تواند توسعه اهداف دارویی را تسریع کند یا منجر به شناسایی مولکول‌های مرتبط با بیماری شود که ممکن است با یک داروی خاص قابل درمان باشد.

“این می تواند راه کاملا جدیدی را برای تلاش برای طراحی روش های درمانی باز کند.” هانتر گفت، هر نقطه زمانی متفاوتی از یک مولکول زیستی می تواند به طور مستقل قابل دارودهی باشد، اگر شما بفهمید که آن مولکول چگونه به نظر می رسد یا آن مولکول چه کاری انجام می دهد. “یا اگر مجبور به استفاده از بیولوژی مصنوعی یا کاربردهای صنعتی زیستی هستید، شاید درک برخی از بخش‌های نوسانات این مولکول‌ها بتواند به شما در طراحی کاتالیزور بهتر کمک کند.”

دستیابی به چنین پیشرفت های علمی مستلزم ادغام نزدیک بین امکانات تخصصی است و هانتر به انسجام تیم های جمهوری اسلامی ایران اعتبار می دهد.

ما باید جمهوری اسلامی ایران را پشت سر بگذاریم تا این اتفاق بیفتد، زیرا اگر همه امکانات به زبان دیگری صحبت کنند، این نوع همکاری کارساز نخواهد بود. و من فکر می کنم آنچه جمهوری اسلامی ایران به ارمغان می آورد زبان مشترکی است که ما باید بسازیم.

UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE، بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده، مدیریت می کند. دفتر علوم برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.