Персональная таблетка: как квантовые процессоры могут помочь в разработке лекарств

Фармацевтика — ​одна из тех индустрий, где на квантовые компьютеры с их сверхвысокой скоростью вычислений возлагают большие надежды. Что конкретно они могут, мы спросили у руководителя сектора квантовых вычислений центра квантовых технологий МГУ Станислава Страупе и врача-генетика «Медскан Hadassah» (входит в «Росатом») Александра Резника.

Чтобы лекарство действовало быстро, приносило максимальный результат и не давало побочных эффектов, его надо подбирать под конкретного человека. Медицина и фармацевтика движутся в этом направлении. Так, недавно директор Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии им. Гамалеи Александр Гинцбург заявил РИА «Новости», что в ближайшие месяцы вакцину на основе неоантигенов получит группа больных меланомой. Препарат создается по персонально-генетическим данным каждого пациента и пригоден только для него.

«Нужно, чтобы лекарство действовало на конкретную мишень — ​как правило, белок, — ​поясняет Александр Резник. — ​Полагаю, что совместная работа искусственного интеллекта и мощных вычислительных систем, какими, мы надеемся, станут квантовые компьютеры, приведет к появлению более сложноустроенных препаратов, чем нынешние. В том числе тех, которые будут действовать на конкретные белки».

У разработчиков квантовых компьютеров есть представление, как устроить связку искусственного интеллекта и квантового процессора. «В химии происходит революция, — ​говорит Станислав Страупе. — ​Генеративный искусственный интеллект придумывает новые молекулы — ​только успевай проверять. Квантовый компьютер мог бы проверять и предсказывать свойства этих соединений».

Еще одна задача — ​моделировать свертку молекулы белка — ​то, как она уложена в пространстве. Молекулы лекарства должны максимально точно соответствовать целевым белкам геометрически (по форме и размеру), химически и т. д. Взаимодействие с белками усложняют и проникшие в «карманы» лекарственных молекул молекулы воды. Их расположение и влияние на свойства препарата тоже надо просчитывать. «Фармацевтическая химия имеет дело со сложными молекулами, состоящими из большого количества атомов, — ​продолжает Станислав Страупе. — ​С ними фундаментально все понятно: есть ядро, электроны, кулоновское взаимодействие. Но когда этих атомов несколько десятков и даже сотен, доступных конфигураций в пространстве состояний тоже очень много. Просчитать их на обычном компьютере крайне сложно: пространство состояний нужно хранить в памяти и обрабатывать, моделируя процессы, которые там происходят. Поскольку молекула — ​это квантовая система, можно попробовать отразить ее на другую — ​квантовый компьютер. Уже есть алгоритмы, которые позволят при наличии достаточно мощного квантового компьютера рассчитывать свойства систем со множеством компонентов. К этим системам относятся и биологические молекулы».

Подход экономически выгодный, потому что самое дорогое в разработке препаратов — ​время ученых. Продолжительные натурные эксперименты можно проводить не со всеми новыми молекулами, а с теми, перспективность которых подтверждена расчетами.

Но и это не все. Предположим, искусственный интеллект в паре с квантовым компьютером нашли правильную субстанцию, фармкомпания изготовила лекарство. Когда дело дойдет до испытаний на людях, вновь пригодится квантовый процессор. Он быстро структурирует пациентов по группам, проанализировав генетические, демографические и иные данные. Так квантовые вычисления помогут появиться персонализированной медицине. «Если пофантазировать, будет примерно так: пациент плюет в пробирку, по анализу слюны врач ставит диагноз и выдает перечень лекарств с дозировкой, — ​описывает прием в клинике Александр Резник. — ​Персонализируется не пациент, а протекание его заболеваний и методы лечения. Каждый пациент будет попадать в определенный набор параметров, от которого зависят рекомендации».

Контекст

«Росатом» в партнерстве с академическими институтами, университетами, промышленными компаниями и стартапами развивает российскую экосистему квантовых технологий. По соглашению с правительством с 2020 года госкорпорация отвечает за квантовые вычисления, а с 2026-го в сферу ее ответственности войдет развитие квантовых сенсоров (датчиков). Наряду с научными исследованиями участники экосистемы расширяют применение квантовых технологий в различных отраслях.