إكتشاف الأدوية بالحوسبة الكمية موضوع مثير يرغب الجميع بالحديث عنه
ما بين المنافسة و التعاون
ما قبل البداية بإكتشاف الأدوية بالحوسبة الكمية
يلتقي رؤساء تكنولوجيا البحث الرقمي في أفضل شركات الأدوية ببعضهم البعض في المؤتمرات. وغالبًا ما ينتهي بهم الأمر بالجلوس جنبًا إلى جنب على نفس الطاولات. تكون المناقشات على عدة مستويات، مستويات عاليةٍ. و أخرى منخفضة في نفس الوقت كتلك التي تناقش الأعشاب و الحشيش، ولابد أن تطرق إلى الاتجاه في عالم اكتشاف الأدوية الذي يعتمد بشكل متزايد على البيانات. في الآونة الأخيرة، ركزت المؤتمرات والندوات على شيء متطور للغاية لم يكن موجودًا حتى الآن – إكتشاف الأدوية بالحوسبة الكمية.
موضوع مثير يرغب الجميع بالحديث عنه
يقول برايان مارتن، رئيس قسم الذكاء الاصطناعي في أبحاث معلومات البحث والتطوير في شركة AbbVie: “ظهرت الفكرة في مؤتمر كوانتم.تك في بوسطن في سبتمبر 2019”.
“كنا نقف في دائرة نتحدث، وأدركت أن لدينا ممثلين من GSK و Takeda و Pfizer و Merck وأنا من AbbVie.”
لقد كانت دائرة قوية مكونة من أشخاص على أعلى مستوى من الخبرة التحليلية والحاسوبية. يتذكر مارتن قائلاً: “قال أمير روتش من شركة (تاكيدا). يومها إنه ربما يتعين علينا إضفاء الطابع الرسمي والبدء في العمل معًا على هذا الأمر لأنه لا أحد منا بمفرده سيكون قادرًا على عرض القضية على المسؤولين التنفيذيين لدينا لإنفاق الأموال على هذا”.
البداية بإكتشاف الأدوية بالحوسبة الكمية
اجتمعت المجموعة بعد 3 أشهر في مؤتمر Q2B في سان خوسيه بكاليفورنيا، لأول مرة كإتحاد يسمى QuPharm. وقد بدأت منذ ذلك الحين في تجميع الخبرات والأفكار حول التطبيقات التي يحتمل أن تكون مفيدة للحوسبة الكمية. نظام فائق السرعة وعالي الحجم يخطو خطوات واسعة في IBM و Google وشركات التكنولوجيا الأخرى ولكن لم يجد بعد تطبيقًا عمليًا في اكتشاف الأدوية.
استخدام أجهزة الكمبيوتر بدلاً من أنابيب الاختبار
يتوقع مارتن وروش وأقرانهم أن تلعب الحوسبة الكمومية دورًا رئيسيًا في تقليل الوقت وتحسين النتائج في تطبيق السيليكو. هو تعبير يعني “يتم إجراؤه على الكمبيوتر أو عبر محاكاة الكمبيوتر”. في إكتشاف الأدوية بالحوسبة الكمية- عن طريق العمل المتزايد للبحث عن جزيئات جديدة باستخدام أجهزة الكمبيوتر بدلاً من أنابيب الاختبار.
ما بين المنافسة و التعاون
يتوق رؤساء تكنولوجيا المعلومات البحثية في شركات الأدوية إلى التقدم قدر الإمكان في الجهود التنافسية المشتركة حتى يكونوا مستعدين بمجرد أن تكتسب الحوسبة الكمية زخمًا في مختبرات الأبحاث الصيدلانية.
يقول مارتن: “أمير لا يتحدث عن شيء ما في خط أنابيب وكيف ستساعد الحوسبة الكمية هذا المركب المحدد. نحن نتحدث عن مناهج عامة تجاه أشياء مثل المحاكاة. نحن نتحدث عن المشكلات العامة التي يفهمها الجميع، والتي لدينا جميعًا كشركات تعمل في المجال الكيميائي والصيدلاني “.
شراكات جديدة
تتعاون QuPharm مع اتحاد التنمية الاقتصادية الكمية (QED-C). وهي مجموعة تم إطلاقها في عام 2018 بتمويل من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا. و هي تتيح الجهود المبذولة لتطوير التطبيقات التجارية لعلوم وتكنولوجيا المعلومات الكمية. تعمل QuPharm أيضًا مع Pistoia Alliance، وهو اتحاد من مديري تكنولوجيا المعلومات الصيدلانية يغطي الحسابات المخبرية على نطاق واسع.
يتمثل التحدي الأساسي الذي يواجه تنفيذ نظام الحوسبة الكمومية القابل للتطوير. وهو نظام يمكنه التعامل مع عمليات حسابية متوازية على مشكلات متزايدة التعقيد – في تحديد كيف سيتناسب هذا النظام مع إيقاع المختبرات.
يقول روتش: “بالنسبة لمعظم المشكلات في الكيمياء الحاسوبية لتطوير العقاقير، فإن الحوسبة التقليدية كافية”.
“هناك حالات حيث توجد قيود. ما لم نتمكن من القيام به الآن كصناعة هو تحديد أي من بين تلك المشكلات المحدودة حسابيًا يمكن حلها عن طريق الحوسبة الكمية. “
التحدي الآخر هو ترجمة مشاكل الكيمياء
التحدي الآخر هو ترجمة مشاكل الكيمياء إلى مشاكل حسابية كمية. و افتقار المعامل إلى الأجهزة والبرمجيات التي أثبتت جدواها لنظام يُظهر فوائد هذه التقنية. أخيرًا هنالك مشكلة من سيقوم بأي من هذا العمل.
“ليس لدينا الموهبة لإدارة عناصر الحوسبة الكمية القابلة للتطوير في المستحضرات الصيدلانية بطريقة مستدامة أو قابلة للتكرار”. كما يقول روتش، وهو طبيب من خلال التدريب الذي درس الهندسة وعمل كمستشار لصناعة الأدوية في شركة McKinsey & Company. قبل انضمامه إلى Takeda Pharmaceutical كرئيس للتكنولوجيا الناشئة العام الماضي.
يستورد آخرون -في مناصب مماثلة في شركات الأدوية -المعرفة الفنية من قطاعات تبدو غير ذات صلة. مارتن، على سبيل المثال، عمل في مجال التمويل. حيث كان أحد مهندسي نظام الكمبيوتر الذي تم تطويره لإدارة الأوراق المالية المدعومة بالرهن العقاري بعد انهيار سوق الأسهم عام 2008.
هناك بيانات كافية في المجال العام لتحقيق تقدم أولي
يقول مارتن إن هناك بيانات كافية في المجال العام لشركة QuPharm لتحقيق تقدم أولي. يقول إن المجموعة قد جمعت بالفعل قائمة بـ 24 استخدامًا محتملاً للحوسبة الكمية في مختبر الأبحاث. بما في ذلك عناصر تطوير الأدوية الأساسية مثل تحديد الهدف، والاكتشاف الرئيسي. وتحسين القيادة، والتطوير السريري. إذا كان لدى أعضاء QuPharm هدف أو جزيء فعلي يرغبون في البدء فيه، فيمكنهم الانفصال وتشكيل شراكة مع مزود التكنولوجيا.
يقول مارتن: “لم يصل أي شيء إلى هذه المرحلة بعد”. “هناك العديد من الارتباطات التي تحدث في صناعة الأدوية مع بائعي الحوسبة الكمية لاستكشاف ما يمكن القيام به في مساحة معينة، ولكن الغرض منها بشكل عام سيكون تعليميًا وغنيًا بالمعلومات بطبيعته.”
مثال على ذلك Biogen، التي دخلت في شراكة مع مورد برامج الحوسبة الكمية 1QBit وشركة الاستشارات Accenture لتطوير أداة مقارنة جزيئية ممكّنة من الكم.
استخدامات اكتشاف الأدوية
بدأ المشروع بالعمل الذي كانت تقوم به Accenture مع 1QBit لتحديد استخدامات اكتشاف الأدوية لخوارزمية التحسين القائمة على الرسم البياني قيد التطوير في شركة البرمجيات. اقترب الاثنان من Biogen ، أحد عملاء Accenture ، مع اقتراح لاستخدام التقنية لمراجعة تطابق الجزيئات ، والتنبؤ بالتأثيرات العلاجية الإيجابية ، وتقييم الآثار الجانبية في مرحلة الاكتشاف المبكرة.
يوضح كارل دوكاتز ، المدير الرئيسي في مجموعة حاضنة التكنولوجيا التابعة لشركة Accenture ، أن 1QBit تستخدم ما يسمى بالطرق المستوحاة من الكم والتي تعمل على أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية ؛ الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية يحدث عبر السحابة. تستخدم التقنية صيغًا رياضية لتحويل الهياكل الجزيئية إلى رسوم بيانية للتقييم ، مما يسمح بمقارنات أكثر دقة مما توفره التقنيات الرقمية ، كما يقول.
في تجربة ، طبقت Biogen النهج على الفحص الافتراضي لقواعد البيانات الجزيئية الكبيرة ، كما يقول جوفيندا بهيسيتي ، رئيس الكيمياء الحسابية في الشركة. “لقد وجدنا أنها ذات صلة بعملنا في اكتشاف أدوية السيليكو – هو تعبير يعني “يتم إجراؤه على الكمبيوتر أو عبر محاكاة الكمبيوتر”
وأدركنا قدرتها على تسريع اكتشاف الأدوية.”
في الواقع ، كان أداء طريقة الحوسبة الكمومية أفضل من الطرق الحسابية التقليدية أو أفضل منها ، كما يقول بهيسيتي. “لقد وجدنا أيضًا نتائج جديدة لم يتم العثور عليها بالطرق الكلاسيكية”.
لم تنفذ Biogen بعد أي عملية حوسبة شبيهة بالكم في الممارسة العملية ، كما يقر بهيستي ، لكن الشركة تواصل تعاونها مع 1QBit لإيجاد استخدامات فعالة لهذه التكنولوجيا.
تجميع المعرفة عبر شركات الأدوية الكبرى
Bhisetti تشارك أيضًا في QuPharm. يقول إن تجميع المعرفة عبر شركات الأدوية الكبرى كان أمرًا حاسمًا لفهم مجموعة من المشاكل الكيميائية التي يمكن حلها على المستوى الكمي – “المشكلات الكبيرة التي تنطوي على مجموعات كثيرة جدًا من المتغيرات لكي تتمكن الحوسبة الكلاسيكية من حلها” ، على حسب قوله.
يربط مشروع صناعي آخر شركة Merck KGaA الألمانية بشركة Seeqc ، وهي شركة ناشئة تقوم بتصميم أجهزة الحوسبة الكمومية حيث تكون عناصر التحكم على كل شريحة منفصلة على حدة. تهدف الشركة إلى تقليل تكلفة تشغيل الكمبيوتر الكمي إلى حد كبير عن طريق تقليل الحمل الحراري على المعالج. استثمرت شركة Merck ، التي ستصل إلى أجهزة كمبيوتر Seeqc عبر السحابة ، 5 ملايين دولار في بدء التشغيل من خلال ذراع رأس المال الاستثماري الخاص بها.
تطبيق ميكانيكا الكم بنفس الطريقة
يلاحظ فيليب هارباخ ، رئيس قسم أبحاث السيليكو في شركة ميرك ، أن العلماء طبقوا ميكانيكا الكم على الكيمياء لأكثر من 20 عامًا ؛ بعد كل شيء ، تصف أنظمة الكم كل تفاعل كيميائي أو خاصية للمادة. ويتم تطبيق ميكانيكا الكم بنفس الطريقة التي يتم بها تطبيق تقنيات المعلومات الكيميائية التقليدية – مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
يقول هارباخ: “لن تحل الحوسبة الكمومية أبدًا محل الحوسبة الكلاسيكية” في اكتشاف الأدوية. “سيعزز تكنولوجيا الحوسبة الكلاسيكية الحالية.” ويشير إلى أن الشركات الناشئة في مجال برامج الحوسبة الكمومية مثل 1QBit تتخذ عمومًا نهج التعزيز لأنها تطور خوارزميات وتطبيقات كمومية قائمة على السحابة.
يصف ألين تشاد إدواردز ، مدير منتج في شركة Cambridge Quantum Computing ، لتطوير البرامج ، ديناميكية متقلبة بين التقنيات الجديدة والقديمة. “نقترب من الحدود العليا لما هو ممكن باستخدام الآلات الكلاسيكية. حتى أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم تكافح لحل مشاكل الكيمياء. “على الجانب الآخر ، نحن في الحدود الدنيا للحوسبة الكمومية. في حين أنها غير متوافقة من حيث الاستعداد ، ما بدأنا نراه هو بعض التلقيح المتبادل بين العالمين الكلاسيكي والكمي. “
استيراد الخوارزميات الكمية إلى أنظمة الحوسبة الكلاسيكية
مع تقدم الحوسبة الكمية كنظام ، سيتم استيراد الخوارزميات الكمية إلى أنظمة الحوسبة الكلاسيكية في تطور سيستغرق سنوات. يقول إدواردز: “لن نقوم جميعًا بتبديل التروس فجأة ، وسوف يكون لدينا حوسبة كمية”.
يوافق كريستوفر سافوي ، الرئيس التنفيذي لشركة Zapata Computing ، وهي شركة خدمات تم تصميم منتجها الرئيسي لتنسيق الحوسبة الكلاسيكية والكمية. و يقول: “الكثير من هذه الأشياء موجهة نحو المستقبل”. “لن تتعامل الخوارزميات المستوحاة من الكم التي تعمل على الآلات الكلاسيكية مع مستوى التعقيد الذي سيكون الكمبيوتر الكمي قادرًا عليه في نهاية المطاف. ولكن يمكنك البدء في إنجاز الأشياء الآن. لست مضطرًا للجلوس على الهامش في انتظار 5 سنوات حتى يظهر هذا الكمبيوتر الكمي المثالي “.
كما يضيف يقول سافوي إن المديرين في شركات الأدوية الكبرى. حتى أولئك في الجناح التنفيذي ، يريدون أن يكونوا مستعدين. “أعتقد أن هناك إدراكًا بدأ بالظهور في الجناح- C.” تنظر الإدارة العليا إلى أبعد من الأسئلة المعتادة ، مثل عائد الاستثمار ، المستخدمة عادة كمرجع لتقرير الالتزام بالتكنولوجيا الجديدة ، لأنها تدرك إمكانية حصول المستخدمين الأوائل على ميزة مهمة في البحث والتطوير. قد يرى الجناح C- أيضًا تحسين الكم كوسيلة لتحسين إدارة سلسلة التوريد. يقول سافوي: “هناك وعي جديد بأن هذه التكنولوجيا ستكون مدمرة لجميع جهود الرقمنة في هذه الشركات”.
لكن سؤال الموهبة يلوح في الأفق. مضيفاً: “لا يمكنك فقط أخذ الأشخاص الذين يقومون بتحليل البيانات في الغرفة الخلفية وتحويلهم إلى مبرمجي كمبيوتر كمي بين عشية وضحاها”. يتعين على الشركات أن تفكر في تطوير القوى العاملة الآن لتكون جاهزة لمستوى جديد من الحوسبة قد لا يكون موجودًا في التطبيق العملي لعدة سنوات.
إكتشاف الأدوية بالحوسبة الكمية
تقول سيليا ميرزباخر ، نائبة مدير QED-C ، إن تشكيل شركة QuPharm. يظهر أن صناعة الأدوية تتطلع إلى الأمام وتستعد للتغييرات التي من المحتمل أن تحدث عن طريق الحوسبة الكمية. وتقول:
“من خلال التكاتف معًا ، من المرجح أن تخلق قوة جذب كبيرة في السوق تسرع من تقدم تطوير الأجهزة والبرامج التي تلبي احتياجاتهم”. “أعطي لهم الفضل في حضورهم مبكرًا إلى المائدة ، والتفكير في الأمر ، وطرح الأسئلة ، والانتباه.”
في حين أن الكثيرين في الحوسبة الكمية يرون اكتشاف العقاقير ذات الجزيئات الصغيرة كخط أمامي محتمل في نشر هذه التقنية ، تقول Merzbacher إن QED-C ومطوري البرامج والأجهزة سيراقبون صناعة الأدوية عن كثب لمعرفة ما تفعله بالفعل مع التكنولوجيا الناشئة.
تضيف أيضاً Merzbacher ، ربما نكون متابعين لبعض الوقت ، لكن هذا شيء جيد. تقول: “صناعة الأدوية صناعة صبورة” ، مشيرة إلى الوقت الذي يستغرقه انتقال دواء مرشح من المختبر إلى الصيدلية كعقد من الزمان او أكثر أحياناً.
“أعتقد أن هذا النوع من الثقافة مفيد للغاية. لن يكونوا هم من يطورون الأدوات ، لكن لديهم مثل هذا الخط الطويل الذي يمكنهم تصوره حيث قد تتقاطع الحوسبة الكمومية مع خط الأنابيب هذا في المستقبل ربما أفضل قليلاً من القطاعات الأخرى “.
