Kai molekulės pradeda šokti kvantinį tango
Farmacijos laboratorijose jau dešimtmečius vyksta nuolatinė kova su laiku ir tikimybėmis. Naujo vaisto kūrimas – tai tarsi bandymas surasti vieną konkretų smiltelį dykumoje, tik ta dykuma turi begalę dimensijų, o smiltelis nuolat keičia formą. Tradicinis procesas užtrunka 10-15 metų ir kainuoja apie 2,6 milijardo dolerių. Dauguma kandidatų žlunga klinikinių tyrimų stadijoje, palikdami tik nuostolius ir nusivylimą.
Bet štai į šią sudėtingą lygtį įsiterpia kvantiniai kompiuteriai – mašinos, kurios operuoja ne tradiciniais bitais, o kvantiniais bitais arba kubitais. Jie gali būti vienu metu ir nulyje, ir vienetuke, egzistuodami keliose būsenose vienu metu. Skamba kaip mokslinė fantastika? Tačiau šis fenomenas, vadinamas superpozicija, jau dabar pradeda keisti tai, kaip mes kuriame vaistus.
Molekulės, kaip ir kvantiniai kompiuteriai, veikia pagal kvantinės mechanikos dėsnius. Jos nėra statiški objektai – tai dinaminės struktūros, kurių elektronai šoka sudėtingą kvantinį baletą. Norint tiksliai numatyti, kaip molekulė sąveikaus su kita molekule (pavyzdžiui, kaip vaisto molekulė prisijungs prie baltymo organizme), reikia išspręsti Schrödinger’io lygtį – matematinį šedevrą, kuris aprašo kvantines sistemas. Problema ta, kad net galingiausiems klasikiniams superkompiuteriams ši užduotis tampa neįmanoma, kai molekulė turi daugiau nei keliolika atomų.
Simuliacijų revoliucija: kai skaičiavimai tampa tikresni už eksperimentus
Įsivaizduokite, kad galėtumėte pamatyti, kaip vaisto molekulė elgiasi žmogaus organizme, dar prieš ją pagamindami laboratorijoje. Ne apytikslį modelį, o tikslų kvantinį vaizdą, kur matote kiekvieną elektroną, kiekvieną cheminį ryšį, kiekvieną energijos pokyčio niuansą. Tai būtent tai, ką žada kvantiniai kompiuteriai.
Kompanija „Roche” jau bendradarbiauja su „Cambridge Quantum Computing”, siekdama pagreitinti Alzheimerio ligos vaistų kūrimą. Jie naudoja kvantinius algoritmus, kad tiksliau sumodeliuotų, kaip potencialūs vaistai sąveikaus su baltymais, susijusiais su šia liga. Tradiciniais metodais tokios simuliacijos užtruktų mėnesius ar net metus, o kvantiniai kompiuteriai gali tai padaryti per dienas ar valandas – ir tai tik su dabartinėmis, dar gana ribotomis mašinomis.
„Biogen” eina dar toliau. Jie tiria, kaip kvantiniai skaičiavimai galėtų padėti suprasti sudėtingus neurologinius procesus molekuliniu lygmeniu. Smegenyse vykstantys procesai – neurotransmiterių sąveika, signalų perdavimas, baltymų klaidingo susidėjimo mechanizmai – visi jie yra iš esmės kvantiniai reiškiniai. Klasikiniai kompiuteriai juos aprašo tik apytiksliai, naudodami supaprastinimus, kurie kartais praleidžia kritinius detales.
Praktiškai tai reiškia, kad mokslininkai gali išbandyti tūkstančius molekulinių variantų kompiuterio ekrane, prieš nuspręsdami, kuriuos verta sintetinti laboratorijoje. Tai ne tik sutaupo laiką ir pinigus – tai keičia pačią strategiją. Vietoj „išbandyk ir pamatysi” požiūrio, vaistų kūrėjai pradeda dirbti su „suprojektuok ir žinok” paradigma.
Baltymų sudėjimo galvosūkis ir jo sprendimas
Viena didžiausių biomedicinos mįslių – kaip aminorūgščių grandinė susilanko į funkcinį baltymą. Šis procesas vyksta natūraliai kiekviename mūsų kūno ląstelėje milijonus kartų per sekundę, tačiau jo tikslus numatymas kompiuteryje iki šiol buvo beveik neįmanomas. Baltymų struktūra lemia jų funkciją, o funkcija lemia, ar jie gali būti vaisto taikiniai.
„DeepMind” sistema „AlphaFold” padarė milžinišką proveržį, naudodama dirbtinį intelektą baltymų struktūroms numatyti. Tačiau kvantiniai kompiuteriai žada dar gilesnį supratimą – ne tik galutinę struktūrą, bet ir dinamiką, kaip baltymas juda, kaip jis keičiasi sąveikaudamas su kitais molekulėmis, kaip jis reaguoja į aplinkos pokyčius.
„D-Wave Systems” ir „Menten AI” kuria kvantinius algoritmus, skirtus baltymų dizainui. Jie nenori tik numatyti natūralių baltymų struktūrą – jie nori kurti visiškai naujus, gamtoje neegzistuojančius baltymus su specifinėmis savybėmis. Tai galėtų revoliucionuoti ne tik vaistų kūrimą, bet ir biotechnologiją apskritai. Įsivaizduokite baltymus, kurie galėtų tiksliai sunaikinti vėžio ląsteles, arba fermentus, kurie galėtų efektyviai skaidyti plastikus.
Konkrečiai: jei norite suprasti, kodėl tai svarbu jūsų sveikatai, pagalvokite apie COVID-19 vakcinų kūrimą. Mokslininkai turėjo suprasti viruso „spike” baltymo struktūrą, kad sukurtų efektyvias vakcinas. Su kvantiniais kompiuteriais toks procesas galėtų vykti ne mėnesius, o savaites, o gal net dienas.
Personalizuota medicina: vaistai, sukurti būtent jums
Kiekvienas žmogus yra genetiškai unikalus, ir tai reiškia, kad vaistai veikia kiekvieną šiek tiek skirtingai. Kai kuriems žmonėms aspirinas puikiai malšina skausmą, kitiems beveik nepadeda. Kai kurie pacientai patiria sunkius šalutinius poveikius nuo vaistų, kurie daugumai yra visiškai saugūs. Tai vyksta dėl genetinių skirtumų, kurie veikia, kaip mūsų organizmas metabolizuoja vaistus.
Kvantiniai kompiuteriai gali analizuoti milžiniškas genomines duomenų bazes ir modeliuoti, kaip specifinės genetinės variacijos veiks vaisto veiksmingumą. „IBM” kvantinis kompiuteris jau buvo naudojamas simuliuoti molekulines sąveikas, susijusias su skirtingomis genetinėmis variacijomis. Tai tik pradžia, bet kryptis aiški – link vaistų, pritaikytų individualiai genetinei sudėčiai.
Praktinis pavyzdys: onkologijoje jau dabar naudojami tiksliniai vaistai, kurie veikia tik tam tikras vėžio mutacijas. Tačiau tokių vaistų kūrimas yra brangus ir lėtas. Su kvantiniais kompiuteriais galėtume ne tik greičiau kurti tokius vaistus, bet ir numatyti, kurie pacientai geriausiai į juos reaguos, dar prieš pradedant gydymą. Tai sutaupytų pacientams mėnesius neveiksmingio gydymo ir sumažintų nereikalingų šalutinių poveikių riziką.
Be to, kvantiniai skaičiavimai galėtų padėti suprasti sudėtingas vaistų sąveikas. Daugelis žmonių, ypač vyresnio amžiaus, vartoja kelis vaistus vienu metu. Kaip šie vaistai sąveikauja tarpusavyje molekuliniu lygmeniu? Kokie yra galimi netikėti efektai? Šiandien mes dažnai sužinome apie tokias sąveikas tik iš klinikinės praktikos, kartais tragiškų atvejų. Kvantiniai kompiuteriai galėtų modeliuoti šias sudėtingas sąveikas iš anksto.
Nuo laboratorijos iki gamyklos: optimizavimo galimybės
Vaisto sukūrimas – tai tik pusė istorijos. Jį dar reikia pagaminti, ir ne bet kaip, o taip, kad kiekviena tabletė būtų identiška, saugi ir veiksminga. Farmacijos gamyba yra neįtikėtinai sudėtingas procesas, kuriame net nedideli parametrų pokyčiai gali lemti produkto nesėkmę.
Kvantiniai optimizavimo algoritmai jau dabar naudojami logistikoje ir tiekimo grandinių valdyme. Farmacijos pramonėje jie galėtų optimizuoti chemines sintezės reakcijas – surasti geriausią temperatūrą, slėgį, katalizatorius ir reakcijos laiką, kad gautume maksimalų produkto kiekį su minimaliomis atliekomis. Tai ne tik ekonominis klausimas – tai ir aplinkosaugos klausimas. Farmacijos pramonė gamina daug cheminių atliekų, ir jų sumažinimas yra kritiškai svarbus.
„Boehringer Ingelheim” bendradarbiauja su „Google Quantum AI”, tyrinėdami, kaip kvantiniai kompiuteriai galėtų optimizuoti jų gamybos procesus. Jie žiūri ne tik į individualias reakcijas, bet į visą gamybos grandinę kaip į sudėtingą sistemą su tūkstančiais kintamųjų. Klasikiniai kompiuteriai gali rasti gerus sprendimus, bet kvantiniai kompiuteriai gali rasti geriausius sprendimus – skirtumas, kuris gali reikšti milijonus dolerių ir tūkstančius tonų sutaupytų cheminių medžiagų.
Dar viena sritis – vaistų formulavimas. Kaip užtikrinti, kad tabletė išlaisvintų aktyvią medžiagą tinkamu laiku tinkamoje vietoje organizme? Kaip padaryti, kad vaistas būtų stabilus laikant jį kelių metų? Šie klausimai reikalauja suprasti sudėtingas molekulines sąveikas tarp aktyvios medžiagos ir pagalbinių medžiagų. Kvantiniai skaičiavimai gali padėti sumodeliuoti šias sąveikas ir sukurti geresnes formuluotes.
Šalutinių poveikių numatymas: saugumas pirmiausia
Viena pagrindinių priežasčių, kodėl vaistų kandidatai žlunga klinikinių tyrimų metu, yra netikėti šalutiniai poveikiai. Molekulė, kuri laboratorijoje atrodė puikiai, gali sąveikauti su nenumatytais taikiniais organizme, sukeliant nepageidaujamus efektus. Kartais šie efektai pasireiškia tik vėlyvose tyrimų stadijose arba net po to, kai vaistas jau patenka į rinką.
Kvantiniai kompiuteriai galėtų padėti numatyti šiuos šalutinius poveikius anksčiau. Jie gali simuliuoti, kaip vaisto molekulė sąveikaus ne tik su tiksliniu baltymu, bet ir su tūkstančiais kitų baltymų žmogaus organizme. Tai tarsi atliekamas virtualus toksikologijos tyrimas dar prieš sintetinant pirmąją molekulę.
„Zapata Computing” kuria kvantinius algoritmus, skirtus būtent tokiems plačios apimties sąveikų tyrimams. Jų požiūris – nesitelkti į vieną taikinį, o žiūrėti į visą biologinę sistemą. Tai atitinka modernų supratimą, kad organizmas nėra paprasčiausias mechanizmas, kur galima pakeisti vieną detalę neveikiant kitų. Organizmas – tai sudėtinga tinklo sistema, kur viskas susiję su viskuo.
Praktiškai tai reiškia saugesnius vaistus. Jei galime numatyti, kad molekulė, kuri puikiai blokuoja uždegimą, taip pat gali paveikti širdies ritmą, galime arba modifikuoti molekulę, arba atidžiau stebėti širdies funkciją klinkinių tyrimų metu. Tai sutaupo ne tik pinigus, bet ir galbūt gyvybes.
Dirbtinio intelekto ir kvantinių kompiuterių simbiozė
Įdomu tai, kad kvantiniai kompiuteriai ir dirbtinis intelektas nėra konkurentai – jie yra partneriai. Dirbtinis intelektas puikiai tinka didelių duomenų masyvų analizei, šablonų atpažinimui, prognozavimui remiantis istoriniais duomenimis. Kvantiniai kompiuteriai puikiai tinka sudėtingų kvantinių sistemų simuliacijai, optimizavimo uždaviniams, problemoms, kurioms reikia ištirti eksponentiškai didelį galimybių erdvę.
Kai šios dvi technologijos dirba kartu, rezultatai gali būti stulbinantys. Dirbtinis intelektas gali analizuoti medicininius duomenis ir identifikuoti perspektyvius vaistų taikinius. Kvantiniai kompiuteriai gali tada tiksliai sumodeliuoti, kaip potencialūs vaistai sąveikaus su šiais taikiniais. Dirbtinis intelektas gali išanalizuoti rezultatus ir pasiūlyti molekulinių struktūrų modifikacijas. Kvantiniai kompiuteriai gali vėl sumodeliuoti šias modifikacijas. Ir taip toliau, iteratyviu procesu, kuris konverguoja link optimalaus sprendimo daug greičiau nei bet kuris žmogaus mokslininkas galėtų pasiekti.
„Moderna”, kompanija, kuri tapo garsi dėl savo COVID-19 vakcinos, investuoja į abi šias technologijas. Jie supranta, kad ateitis priklauso ne vienai technologijai, o jų integracijai. Jų vizija – platformos, kuriose dirbtinis intelektas ir kvantiniai skaičiavimai dirba nenutrūkstamai, pagreitindami vaistų kūrimą nuo mėnesių iki savaičių.
Dar viena perspektyvi sritis – kvantinis mašininis mokymasis. Tai naujas mašininio mokymosi tipas, kuris naudoja kvantinius algoritmus. Teoriškai jis gali apdoroti duomenis ir rasti šablonus daug efektyviau nei klasikinis mašininis mokymasis. Farmacijoje tai galėtų reikšti gebėjimą analizuoti genomines duomenų bazes, klinikinių tyrimų rezultatus, literatūros duomenis ir molekulines struktūras vienu metu, randant ryšius, kurių žmogus niekada nepastebėtų.
Iššūkiai ir realybė: kodėl dar nevartojame kvantiškai sukurtų vaistų
Viskas skamba nuostabiai, bet kodėl gi mes dar nevartojame vaistų, sukurtų kvantiniais kompiuteriais? Atsakymas paprastas – technologija dar tik bręsta. Dabartiniai kvantiniai kompiuteriai yra tai, ką specialistai vadina „triukšmingos vidutinės skalės kvantiniais” (NISQ) įrenginiais. Jie turi ribotą kubitų skaičių, kubitai yra nestabilūs (dekoherencija yra nuolatinė problema), ir klaidų lygis vis dar per aukštas daugeliui praktinių pritaikymų.
Kubitai yra nepaprastai jautrūs aplinkos trukdžiams. Jie turi būti laikomi beveik absoliutaus nulio temperatūroje, izoliuoti nuo bet kokių elektromagnetinių laukų, vibracijos, net kosminių spindulių. Net ir idealiomis sąlygomis, kubitai išlaiko savo kvantinę būseną tik mikrosekundes ar milisekundes. Per tą laiką reikia atlikti visus skaičiavimus – o sudėtingos molekulinės simuliacijos reikalauja daug laiko.
Klaidų korekcija yra kita didelė problema. Klasikiniuose kompiuteriuose, jei įvyksta klaida, ją galima aptikti ir ištaisyti. Kvantiniuose kompiuteriuose tai daug sudėtingiau, nes pats matavimo aktas keičia kvantinę būseną. Mokslininkai kuria sudėtingas klaidų korekcijos schemas, bet jos reikalauja daug papildomų kubitų – kartais šimtų ar tūkstančių kubitų vienai „loginei” kubitai apsaugoti.
Tačiau pažanga vyksta greitai. „IBM” neseniai pristatė 433 kubitų kvantinį procesorių „Osprey”, o planuoja pasiekti 1000 kubitų 2023 metais. „Google” teigia pasiekę „kvantinę viršenybę” – tašką, kuriame kvantinis kompiuteris atlieka užduotį, kurios klasikinis kompiuteris negali atlikti per priimtiną laiką. Nors šis teiginys yra ginčytinas, kryptis aiški.
Farmacijos kompanijos supranta, kad dabar yra laikas pradėti eksperimentuoti. Net jei dabartiniai kvantiniai kompiuteriai negali dar spręsti visų problemų, jie gali spręsti kai kurias. Ir svarbiausia – kompanijos, kurios pradeda dabar, įgys patirties ir kompetencijos, kuri bus kritiškai svarbi, kai technologija subręs.
Kai ateitis tampa dabarties realybe
Stovime ant naujos eros slenksčio. Kvantiniai kompiuteriai farmacijoje nėra tolima ateities vizija – jie jau čia, nors dar kūdikystės stadijoje. Pirmieji vaistai, kurių kūrime dalyvavo kvantiniai skaičiavimai, gali pasiekti rinką jau šio dešimtmečio pabaigoje.
Kas tai reiškia paprastam žmogui? Tai reiškia, kad ligos, kurios šiandien yra neišgydomos, gali tapti valdomomis. Tai reiškia, kad vaistai taps efektyvesni, saugesni, prieinamesni. Tai reiškia, kad personalizuota medicina – ne šūkis, o realybė. Jūsų gydytojas galės paskirti vaistą, žinodamas tiksliai, kaip jis veiks būtent jūsų organizmą, su jūsų unikalia genetine sudėtimi.
Žinoma, technologija pati savaime nėra stebuklas. Reikės išmintingo reguliavimo, etinių diskusijų, visuomenės pasitikėjimo. Reikės užtikrinti, kad šios technologijos nauda pasiektų ne tik turtinguosius, bet ir visus, kam reikia gydymo. Reikės mokslininų, inžinierių, gydytojų, kurie suprastų ir klasikinę mediciną, ir kvantinę mechaniką – naujos kartos specialistų, kurie galės naršyti šioje hibridinėje erdvėje.
Bet jei žiūrime į istoriją, matome, kad kiekviena technologinė revoliucija – nuo mikroskopo iki DNR sekvenavimo – galiausiai demokratizavosi ir pagerino milijonų žmonių gyvenimus. Kvantiniai kompiuteriai farmacijoje nėra išimtis. Jie yra tik naujausia priemonė senoje žmonijos kovoje su ligomis ir kančia. Ir šįkart, pirmą kartą istorijoje, mes turime įrankį, kuris veikia tais pačiais principais kaip ir pati gyvybė – kvantiniais principais, kurie valdo kiekvieną molekulę mūsų kūne.
Kelias bus ilgas, pilnas iššūkių ir netikėtumų. Bet kryptis aiški, o potencialas – beribis. Kvantinė medicina jau nebėra mokslinė fantastika. Ji tampa moksline realybe, po vieną kubitą, po vieną molekulę, po vieną pacientą.