Kwantumsoftware test nieuwe aanpak voor het vouwen van eiwitten

Eiwitten zijn ketens van aminozuren die zich opvouwen tot een driedimensionale vorm. Die vorm bepaalt wat een eiwit in een cel doet en hoe het reageert op medicijnen. Voor onderzoekers is het lastig om die vorm te berekenen: zelfs een klein eiwit kan in principe uit een onvoorstelbaar aantal vormen bestaan. Voor een eiwit van honderd aminozuren gaat het al snel om een getal met 47 nullen aan mogelijke ruggengraatvormen.

Extra lastig wordt het bij zogeheten ongeordende eiwitten. Dit type eiwit neemt geen vaste vorm aan, maar beweegt voortdurend tussen verschillende vormen. Ongeveer een derde van de eiwitten in complexe organismen heeft zulke ongeordende delen, en naar schatting 79 procent van de menselijke eiwitten die met kanker te maken hebben, bevat er minstens één. Omdat deze eiwitten geen stabiele bindingsplek bieden, zijn ze ook moeilijke doelwitten voor medicijnen.

Kwantumbit en gewone computer werken samen

Het team achter QuPepFold, gepubliceerd in het tijdschrift PLOS One, koos voor een hybride kwantum-klassiek algoritme. De software plaatst een peptide op een tetraëdrisch rooster, een soort driedimensionaal grid dat vastlegt welke posities en richtingen de aminozuurketen kan aannemen. Elke mogelijke vouwing wordt vertaald naar een reeks nullen en enen, opgebouwd uit qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer.

Een zogeheten variational quantum eigensolver zoekt vervolgens naar de vouwing met de laagste energie, omdat die in de praktijk meestal de stabielste vorm oplevert. QuPepFold gebruikt daarbij een truc genaamd conditional value at risk: de software let vooral op de meest veelbelovende uitkomsten en negeert grotendeels de vele mislukte pogingen. Dat leverde in de tests een ongeveer 30 procent snellere convergentie op dan de standaardversie van het algoritme. De onderzoekers testten het pakket zowel op simulatoren van IBM en Amazon als op de echte, op gevangen ionen gebaseerde kwantumcomputer Aria-1 van IonQ, waarbij de gemeten energieniveaus voor meer dan 90 procent overeenkwamen met de simulaties.

Goede resultaten bij korte ketens, zwakke bij lange

Op 1.224 peptidesequenties van zes tot tien aminozuren scoorde QuPepFold sterk wisselend. Bij zeven aminozuren vond het systeem in 97,3 procent van de pogingen een stabiele, laagenergetische structuur. Bij acht aminozuren daalde dat naar 13,4 procent, bij negen naar 4,7 procent en bij tien aminozuren naar slechts 1,5 procent. Ook de rekentijd liep op: van gemiddeld 4,7 seconden per ronde bij zes aminozuren tot 16,2 seconden bij tien.

De onderzoekers benadrukken dat QuPepFold nog geen betrouwbaar model voor medicijnontwikkeling is. Het rooster is een sterke vereenvoudiging van echte moleculen, en een berekende lage energie bewijst niet automatisch dat een vorm biologisch klopt. Een keten van tien aminozuren vraagt bovendien al 20 tot 25 qubits en miljoenen metingen, wat kwantumhardware duur en gevoelig voor ruis maakt. Toekomstige versies moeten realistischere natuurkundige modellen, experimentele gegevens en verbeterde schakelingen krijgen voordat de aanpak richting grotere, medisch relevante eiwitten kan opschalen.