Kwantumcomputer berekent bindingsenergie medicijn nauwkeurig genoeg voor gebruik

Het Amerikaanse bedrijf QC Ware en kwantumcomputerbouwer IonQ hebben een gezamenlijke test uitgevoerd waarbij een gewone computer en een kwantumcomputer samen een chemische berekening deden. Ze richtten zich op cytochroom P450nor, een eiwit dat hoort bij een familie van enzymen die in het menselijk lichaam een hoofdrol spelen bij de afbraak van medicijnen. Hoe beter je kunt voorspellen hoe een medicijn aan zo'n eiwit bindt, hoe eerder farmaceutische bedrijven kunnen inschatten of een kandidaat-medicijn effectief is en geen gevaarlijke bijwerkingen veroorzaakt.

Voor de berekening gebruikten de onderzoekers hybride kwantum-classieke software: het Promethium-platform van QC Ware deed het grootste deel van het rekenwerk op gewone grafische chips (GPU's), terwijl het lastigste stukje — waar elektronen zich het minst voorspelbaar gedragen — werd doorgestuurd naar IonQ's Forte-computer. Die machine gebruikt gevangen atomen als rekeneenheden, een techniek die bekendstaat als ionenval-technologie. De berekening liep via de clouddienst Amazon Braket, met rekenkracht deels gefinancierd door Amazon Web Services.

Nauwkeuriger dan de gangbare methode

Het model dat de onderzoekers doorrekenden bestond uit 115 atomen en meer dan duizend moleculaire orbitalen — de gebieden waarin elektronen zich rond een molecuul kunnen bevinden. Daarvan werd automatisch een kern van vier orbitalen geïsoleerd en vertaald naar acht qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer. Het resultaat: de berekende elektrostatische interactie-energie, een belangrijke maat voor hoe stevig een molecuul aan zijn doelwit bindt, week slechts 0,5 kcal/mol (ongeveer 4 procent) af van de uitkomst die geldt als referentie. Dat valt ruim binnen de 1 kcal/mol die chemici als grens voor bruikbare nauwkeurigheid beschouwen, en is meer dan twee keer zo precies als de standaardmethode die de industrie nu gebruikt.

Waarom dit voor medicijnontwikkeling telt

Metaalcentra zoals het ijzeratoom in cytochroom P450nor zijn notoir lastig om met gewone computers goed door te rekenen. Toch bepalen ze mede hoe het lichaam medicijnen afbreekt. Een preciezere berekening kan onderzoeksteams helpen om eerder in het ontwikkelproces te zien welke kandidaat-medicijnen risico's op giftige afbraakproducten met zich meebrengen, en welke kandidaten het best verder onderzocht kunnen worden. Dat scheelt tijd en geld, omdat foute keuzes vaak pas in een laat, duur stadium van klinisch onderzoek aan het licht komen.

Volgens QC Ware bevestigt de test bovendien dat hun Promethium-software niet gebonden is aan één type kwantumhardware: eerder liep een vergelijkbare proef al op een ander soort kwantumsysteem. Dat maakt het platform flexibeler naarmate qubit-technologie zich verder ontwikkelt. Voor bepaalde taken rekent Promethium tot twintig keer sneller dan de klassieke computermethode die nu de norm is in de chemie, wat onderzoek dat voorheen weken kostte tot enkele uren kan terugbrengen.