בהובלת התיאורטיקן של אוניברסיטת מלבורן ומומחה HPC פרופסור חבר ג'וזפה בארסה, צוות מחקר השיג את הדמיית הקוונטים הראשונה של מערכות ביולוגיות בקנה מידה הדרוש למודל מדויק של ביצועי תרופות.
תוך ניצול כוחו חסר התקדים של מחשב העל Frontier במתקן המחשוב Oak Ridge Leadership בטנסי, ארה"ב, הצוות פיתח תוכנה פורצת דרך המסוגלת לחזות במדויק את התגובות הכימיות והתכונות הפיזיקליות של מערכות מולקולריות הכוללות עד מאות אלפי אטומים. – אספקת תחזיות מדויקות ביותר של התנהגות מולקולרית והצבת רף חדש בכימיה חישובית.
הפרויקט הפגיש מומחיות בכימיה, גילוי תרופות, מכניקת קוונטים ומחשוב-על, כאשר המעבדה הלאומית Oak Ridge, חברת המוליכים למחצה המובילה AMD, וסטארט-אפ טכנולוגיות עמוק QDX משתפים פעולה בפרויקט.
תוצאה של יותר מארבע שנים של מחקר שובר שיאים, התקדמות זו מאפשרת לחקור מערכות בקנה מידה ביו-מולקולרי עם דיוק ברמת קוונטים לראשונה אי פעם. יכולת הדמיה חדשנית זו מאפשרת התבוננות והבנה של מערכות אלו בפירוט חסר תקדים, אשר חיונית לשיפור ההערכה של תרופות מסורתיות ועיצוב תרופות טיפוליות חדשות המתקשרות בצורה יעילה יותר עם מערכות ביולוגיות מטרה.
פריצת דרך זו מאפשרת לנו לדמות התנהגות סמים בדיוק המתחרה בניסויים פיזיים. כעת אנו יכולים לצפות לא רק בתנועה של תרופה אלא גם בתכונות המכאניות הקוונטיות שלה, כמו שבירת קשר והיווצרות, לאורך זמן במערכת ביולוגית. זה חיוני להערכת כדאיות התרופה ועיצוב טיפולים חדשים.
ג'וזפה בארסה, פרופסור חבר, אוניברסיטת מלבורן
כיום, למעלה מ-80 אחוז מהחלבונים הגורמים למחלות אינם ניתנים לטיפול בתרופות קיימות, ורק שני אחוזים עובדים עם תרופות מוכרות. זה מראה עד כמה מוגבלות השיטות הנוכחיות. מכניקת קוונטים מתקדמת ו-HPC מרחיבים את ערכת הכלים החישוביים לגילוי תרופות, ומספקות רמות חסרות תקדים של מהירות ודיוק בקנה מידה רלוונטי מבחינה ביולוגית. חשוב לציין, הם גם מספקים תובנות ויכולות שלא היו אפשריות בעבר עם כימיה חישובית מסורתית כדי לפתוח דרכים חדשות למודול יעדים בעלי עניין טיפולי ולהרחיב את מספר יעדי המחלה שעבורם זמינים טיפולים יעילים.
ההדמיות מחשבות את הזיקה של מולקולת תרופה למטרה ספציפית, כגון חלבון שעבר מוטציה גנטית הגורם למחלה. לאחר מכן, אלגוריתמים מחשבים את יעילות התרופה על ידי הערכת חוזק הקשר בין התרופה למטרה, תוך הוכחת עוצמת התרופה. כדי לבדוק תרופה ביעילות באמצעות הדמיית קוונטים, מערכת המודל הביולוגי חייבת לשלב אלפי אטומים.
"זו בדיוק הסיבה שבנו את Frontier, כדי להתמודד עם בעיות גדולות ומורכבות יותר העומדות בפני החברה", אמר דמיטרו בייקוב, כימאי חישובי במעבדה הלאומית של Oak Ridge. "על ידי שבירת מחסום האקססקל, הסימולציות הללו דוחפות את יכולות המחשוב שלנו לעולם חדש לגמרי של אפשרויות עם רמות חסרות תקדים של תחכום וזמני פתרון מהירים באופן קיצוני – וזו רק ההתחלה של עידן האקססקל."
ד"ר יאקוב קורזק, חבר ראשי בצוות הטכני ב-AMD ונציג של AMD במעבדה הלאומית של Oak Ridge, אמר: "אנו נרגשים לראות שטכנולוגיות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים של AMD מאפשרות מדע פורץ דרך במחקר רפואי ומספקות את ביצועי המחשוב למודל מדויק של פיזיקה מורכבת ביותר של מערכות מולקולריות לגילוי תרופות."
לונג וואנג, מייסד שותף ומנכ"ל QDX אמר: "ב-QDX, אנו נרגשים להפליא להפוך את ההתקדמות המדעית פורצת הדרך לפלטפורמה חזקה וידידותית למשתמש שמאיצה ומשפרת את גילוי התרופות, פותחת דלתות לטיפולים חדשניים. הדמיות הקוונטיות המתקדמות שלנו הציבו רף חדש לדיוק בקנה מידה רלוונטי מבחינה ביולוגית.
פרופסור חבר בארסה, מבית הספר למחשוב ומערכות מידע של הפקולטה להנדסה וטכנולוגיית מידע, מועמד על ידי האוסטרלי כאחד מ-250 החוקרים המובילים באוסטרליה בשנת 2024.
בשנת 2023, הוא ייסד את חברת QDX, שכבר משתמשת בהדמיות קוונטיות בעלות ביצועים גבוהים כדי להאיץ עיצוב טיפולי חדש. QDX השיגה עסקאות מסחריות עם חברות תרופות וחברות סטארט-אפ טכנולוגיות באוסטרליה, סינגפור וארה"ב.
"הודות ליכולות מחשוב ותוכנה חדשות המאפשרות מידול מדויק ברמה המכאנית הקוונטית, אנו יכולים להשיג דיוק ניבוי קרוב לתוצאות הניסוי. החישובים הללו היו בלתי אפשריים לחלוטין רק לפני מספר שנים", אמר פרופסור-משנה בארסה.
