By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 06. Oktober 2022
Mit über 1.42 Billionen Dollar Aufgrund des Umsatzwachstums in den gesamten USA bietet die Pharmaindustrie viele lukrative Möglichkeiten für Quantencomputing-Unternehmen. Denn an Medikamentendesign und der Entwicklung neuer Materialien wird geforscht molekulare Skala, werden die betreffenden Subjekte im Wesentlichen zu Quantensystemen. Dies erleichtert Quantencomputern die Analyse und Simulation dieser Materialien erheblich, da es sich bei den Computern ebenfalls um Quantensysteme handelt. Während klassisches Computing bereits (normalerweise in Kombination mit maschinellem Lernen) auf Medikamentensimulationen angewendet wird, kann Quantencomputing nicht nur den Entdeckungsprozess rationalisieren, sondern auch eine Lösung schaffen Paradigmenwechsel für die gesamte Pharmaindustrie.
Dr. Nicole Holzmann, Managerin für Quantenwissenschaft bei Riverlane, spricht über die Rolle des Quantencomputings in der Pharmaindustrie. (PC Riverlane)
„Entwicklung ist so grundlegend, dass Pharma ganze 15 Prozent des eigenen Umsatzes für Forschung und Entwicklung ausgibt“, erklärte a 2021 Artikel von McKinsey and Company. Quantencomputing kann diese Kosten durch den Einsatz von Simulationen deutlich senken in-silico klinische Versuche. Hier würden Teilnehmer und verschiedene Arzneimittelbehandlungen simuliert, sodass ein Quantencomputer Arzneimittelprotokolle testen und Lösungen auf kostengünstigere und effizientere Weise optimieren könnte. Andere Quantensimulationen untersuchen molekulare Wechselwirkungen zwischen Proteinen, um vorherzusagen, wie ein Medikament wirken könnte. Jüngste Forschungsprojekte vom Quantencomputing-Unternehmen Flussstraße erstellte mithilfe einer Einbettungstechnik spezielle Algorithmen zur Untersuchung des Enzyms Hydrogenase und des Photosensibilisatormoleküls Temoporfin. „Wir wollen einen Weg finden, den aktiven Teil eines Arzneimittels in einer Proteinumgebung auf einem Quantencomputer zu berechnen“, erklärte Riverlanes Manager für Quantenwissenschaft, Dr. Nicole Holzmann. „Aber das ist sehr schwierig, weil die Systeme sehr groß sind. Deshalb müssen wir einen Weg finden, den aktiven Teil eines Proteins zu isolieren und diesen kleinen Teil auf einem Quantencomputer zu berechnen.“
Das klassische Rechnen hat bereits Medikamentensimulationen erstellt CADD (Computergestützte Arzneimittelentdeckung). Mit CADD können Forscher maschinelles Lernen nutzen, um Simulationen molekularer Wechselwirkungen zu erstellen. Allerdings hat CADD seine Grenzen, da es alle Daten berücksichtigt, sogar mögliche „Sackgassen“-Moleküle. Diese Einschränkung kann zu einem Engpass für die Pharmaindustrie führen, da sie die Anzahl der zu untersuchenden Moleküle einschränkt. Mit einem Quantencomputer kann dieser Prozess rationalisiert und beschleunigt werden, was einen schnelleren Entdeckungsprozess ermöglicht. Da tatsächliche Medikamentenstudien nicht durch Medikamentensimulationen ersetzt werden, können diese Computersimulationen dazu beitragen, potenzielle Behandlungsprotokolle auf viel kostengünstigere Weise zu bestimmen. „Wenn man sich den Arzneimittelentwicklungszyklus ansieht, dauert es viele, viele Jahre, etwa 12 Jahre, um ein Arzneimittel zu entwickeln“, erklärte Holzmann. „Es ist sehr, sehr teuer. Sie beginnen möglicherweise mit Millionen von Molekülen und sind am Ende zufrieden, wenn Sie eine Handvoll potenzieller Kandidaten haben. Und in diesem langen Prozess gibt es viele experimentelle Schritte.“ Quantencomputing kann nicht nur dazu beitragen, diesen Prozess erheblich zu verkürzen, sondern möglicherweise auch einen möglichen Paradigmenwechsel in der Pharmaindustrie herbeiführen. Mit mehr Rechenleistung können Quantencomputer auch die Art simulierter molekularer Systeme erweitern, etwa um Antikörper oder sogar ganze Peptide.
Der Zeitplan für Quantencomputing in der Pharmaindustrie
Obwohl Quantencomputer diese vielen Vorteile bieten, kann es eine Weile dauern, bis sie vollständig genutzt werden können. Einer der Gründe für diese Verzögerung ist das Fehlen von Anwendungsfällen. Während Unternehmen wie Riverlane mit möglichen Anwendungsfällen experimentieren (z. B. in ihrer Partnerschaft mit beiden). Astex Pharma und Rigetti Computing), wird es einige Zeit dauern, genügend Anwendungsfälle für den Einsatz von Quantencomputing zu entwickeln. Der andere Hauptgrund für diese Zeitverzögerung ist die Hardwareentwicklung. Als aktuell gelten Quantencomputer, die bei der Entwicklung neuer Materialien oder der Arzneimittelentwicklung zum Einsatz kommen NISQs (Noisy Intermediate Scale Quantum), wo sie immer noch Fehler und andere Probleme enthalten. McKinsey and Company geht davon aus, dass es auch in Zukunft fehlerfreie Quantencomputer geben wird 2030, und wird in der Pharmaindustrie große Wellen schlagen. Unternehmen mögen Quantenbrillanz hoffen, einzigartige Hardware wie Diamant-Quantenbeschleuniger nutzen zu können, um diese Hardware-Herausforderungen zu meistern. Riverlane versucht ähnlich, diese Probleme zu lösen. „Das ist ein weiterer Bereich, in dem Riverlane große Anstrengungen unternimmt, um Fehler zu beheben, die auf diesen Maschinen auftreten“, fügte Holzmann hinzu. „Wir haben also viele Qubits, die Sie für Berechnungen verwenden, und während dieser Berechnung gehen einige von ihnen kaputt. Es passiert einfach, es wird immer passieren, auch wenn wir bessere Maschinen haben. Um diese Berechnung nützlich zu machen, müssen wir diese Fehler kalibrieren.“
Andere Quantenunternehmen mögen Quantum drängen bereits darauf, den Zeitrahmen zu verkürzen. Kürzlich wurde Quantinuum veröffentlicht InQuanto, eine Quantencomputational-Chemie-Software, die speziell für Chemiker entwickelt wurde, um mehrere Quantenalgorithmen auf einem Quantencomputer zu nutzen. „Quantencomputing bietet einen Weg zur schnellen und kostengünstigen Entwicklung neuer Moleküle und Materialien, die neue Antworten auf einige der größten Herausforderungen, denen wir gegenüberstehen, ermöglichen könnten“, erklärte Patrick Moorhead, CEO und Chefanalyst von Moor Insights and Strategy bei Quantinuum’s Pressemitteilung. Obwohl InQuanto die erste Plattform dieser Art ist, wird es sicherlich nicht die letzte sein, da andere Quantenunternehmen hoffen, ihre Rechenleistung durch Partnerschaften mit verschiedenen Pharmaunternehmen vor Ort zu nutzen. Je mehr dieser Partnerschaften entstehen, desto mehr könnte die Pharmaindustrie durch die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings für immer verändert werden.
Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Ihre Beats beim Schreiben umfassen Deep Tech, Metaverse und Quantentechnologie.
