Các nhà khoa học phát triển đường ống điện toán lượng tử tiên tiến có thể cải thiện cách thiết kế thuốc
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã phát triển một đường ống điện toán lượng tử cho việc khám phá thuốc, có thể đưa công nghệ này từ khái niệm đến thiết kế thuốc thực tế.
Sử dụng kết hợp mô phỏng và tính toán, đường ống điện toán lượng tử có thể được điều chỉnh để giải quyết các thách thức khác nhau trong thiết kế thuốc, chẳng hạn tương tác và liên kết của thuốc với mục tiêu và năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết trong thuốc.
Chi tiết về đường ống được trình bày bởi các nhà nghiên cứu từ Tencent Quantum Lab, Đại học Dược Trung Quốc và công ty nghiên cứu AceMapAI Biotechnology trong bài viết được công bố trên tạp chí Scientific Reports của Nature Portfolio được bình duyệt.
Tencent Quantum Lab là phòng thí nghiệm nghiên cứu thuộc tập đoàn công nghệ Tencent (Trung Quốc). Phòng thí nghiệm này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ liên quan đến điện toán lượng tử.
Nature Portfolio là một trong những nhà xuất bản khoa học lớn nhất và được kính trọng nhất trên thế giới, nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng cao và phạm vi bao phủ rộng khắp các lĩnh vực khoa học.
Có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp, điện toán lượng tử có thể hữu ích trong việc thiết kế thuốc vì mô phỏng tương tác giữa các phân tử và dự đoán sự thành công cũng như tính an toàn của thuốc.
“Điện toán lượng tử, với khả năng tính toán vượt trội so với các phương pháp cổ điển, có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khoa học, gồm cả dược phẩm”, nhóm nghiên cứu viết.
Các phương pháp cổ điển hiện có trong hóa học tính toán không chính xác và chi phí của chúng tăng lên khi quy mô tính toán tăng lên, các nhà nghiên cứu cho biết.
Điện toán lượng tử (dựa vào cơ học lượng tử để thực hiện các tác vụ tính toán vượt quá khả năng của điện toán cổ điển) có thể được sử dụng để vượt qua các thách thức hiện tại trong khám phá thuốc.
“Tuy nhiên trong bối cảnh hiện tại, sự tham gia của điện toán lượng tử trong khám phá thuốc chủ yếu bị hạn chế trong xác thực khái niệm, với sự tích hợp tối thiểu vào thiết kế thuốc thực tế”, nhóm nghiên cứu cho biết.
Để trả lời câu hỏi đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một đường ống điện toán lượng tử lai nhắm mục tiêu vào khám phá thuốc thực tế, mà họ đã có thể xác thực bằng hai nghiên cứu trường hợp giải quyết các vấn đề thực tế trong thiết kế thuốc.
“Kết quả chúng tôi chứng minh tiềm năng của một đường ống điện toán lượng tử để tích hợp vào quy trình thiết kế thuốc thực tế”, theo các nhà nghiên cứu.
Nhóm nghiên cứu tìm cách thực hiện hai nhiệm vụ quan trọng trong khám phá thuốc: Xác định năng lượng cần thiết để cắt hoặc phá vỡ liên kết trong thuốc tiền dược (prodrug) và mô phỏng liên kết cộng hóa trị (liên kết hóa học trong đó các nguyên tử chia sẻ electron).
Thuốc tiền dược là một loại thuốc hoặc hợp chất, sau khi đưa vào cơ thể, sẽ trải qua quá trình chuyển hóa để biến đổi thành loại thuốc có hoạt tính dược lý. Nói cách khác, nó giống như một dạng "tiền thân" của thuốc, cần phải được kích hoạt trước khi phát huy tác dụng chữa bệnh.
“Thuốc tiền dược là một phần quan trọng của nghiên cứu thuốc hiện đại vì chỉ kích hoạt ở những nơi nhất định trong cơ thể, làm giảm nguy cơ tác dụng phụ và dẫn đến phương pháp điều trị an toàn và hiệu quả hơn”, các nhà nghiên cứu cho biết. Một chiến lược để kích hoạt các thuốc tiền dược là phá vỡ liên kết carbon-carbon. Theo nhóm nghiên cứu, việc tính toán rào cản năng lượng để cắt các liên kết này là “quan trọng” vì xác định xem nó có thể xảy ra tự phát bên trong cơ thể hay không.
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đang nỗ lực sử dụng điện toán lượng tử để cải thiện phương pháp thiết kế thuốc cho ngành công nghiệp dược phẩm - Ảnh: Shutterstock
Để xác định xem đường ống điện toán lượng tử của họ có thể được sử dụng để nghiên cứu điều này hay không, nhóm đã kiểm tra thuốc tiền dược chống ung thư, beta-lapachone. Họ đã so sánh kết quả tính toán của mình với bài viết năm 2022 sử dụng các phương pháp tính toán cổ điển để xác định rào cản năng lượng cùng với thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Phân tích sử dụng điện toán lượng tử đồng ý với nghiên cứu trước đó, với cả hai phân tích đều xác định rằng thuốc có thể trải qua phản ứng tự phát trong sinh vật sống.
“Kết quả từ chúng tôi chứng minh hiệu quả của điện toán lượng tử cũng như tính linh hoạt và ưu điểm plug-and-play trong đường ống của chúng tôi”, các nhà nghiên cứu viết.
Ưu điểm plug-and-play nghĩa là đường ống này dễ dùng, giống như cắm và chơi (plug-and-play), không yêu cầu nhiều kiến thức chuyên sâu về điện toán lượng tử để sử dụng.
Trong nghiên cứu trường hợp thứ hai, nhóm tìm cách xác định hoạt tính của một loại thuốc chống ung thư khác là sotorasib, được gọi là chất ức chế KRAS (Kirsten Rat Sarcoma). KRAS có tác dụng ức chế đột biến gien KRAS cụ thể là G12C.
Tìm kiếm thuốc cho đột biến của oncogene (gien gây ung thư) là thách thức vì cần tạo thành liên kết cộng hóa trị với mục tiêu để ức chế nó. Oncogene là một loại gien có khả năng gây ra ung thư khi bị đột biến hoặc hoạt động bất thường. Trong trạng thái bình thường, oncogene không gây bệnh, nhưng khi bị biến đổi hoặc hoạt động quá mức, nó có thể thúc đẩy sự phát triển của tế bào ung thư.
Các mô phỏng cơ học lượng tử và cơ học phân tử (mô phỏng quan trọng trong xác thực thuốc sau thiết kế) đã được sử dụng để kiểm tra tương tác mục tiêu thuốc. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tính toán lai, nghĩa là bắt đầu với một trình giả lập lượng tử trước khi chuyển sang điện toán lượng tử.
Sau khi thực hiện xác thực điện toán lượng tử lai trên sotorasib và đột biến mục tiêu, nhóm nghiên cứu quan sát thấy một liên kết cộng hóa trị mạnh được hình thành giữa chúng. Điều này có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu quả của thuốc.
“Sự hiểu biết này là rất quan trọng cho việc thiết kế hợp lý các chất ức chế trong tương lai nhắm vào các đột biến tương tự”, các nhà nghiên cứu viết, đồng thời cho biết thêm rằng nó sẽ hỗ trợ sự phát triển trong tương lai của tốc độ và độ chính xác của khám phá thuốc bằng điện toán lượng tử.
“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết lập một đường ống mẫu cho phép điện toán lượng tử giải quyết các vấn đề khám phá thuốc thực tế. Tính phổ quát của đường ống này nhấn mạnh tiềm năng của nó như công cụ nền tảng, trao quyền cho các nhà nghiên cứu với một tài nguyên tính toán sẵn sàng sử dụng”, họ nói.
Theo nhóm nghiên cứu, ngay cả các chuyên gia thiết kế thuốc không có nền tảng về điện toán lượng tử cũng có thể sử dụng nó. “Bằng cách dân chủ hóa quyền truy cập vào đường ống tiên tiến này, chúng tôi đặt nền tảng cho các nỗ lực hợp tác mở rộng trong cộng đồng khoa học, từ đó thúc đẩy việc chuyển đổi sức mạnh tính toán lượng tử thành kết quả điều trị hữu hình”, các nhà nghiên cứu viết.
Dân chủ hóa quyền truy cập vào đường ống tiên tiến có thể được hiểu là việc làm cho công nghệ hoặc công cụ tiên tiến trở nên dễ tiếp cận hơn với nhiều người hoặc tổ chức, không chỉ những chuyên gia hay nhóm nghiên cứu có nguồn lực lớn.
Tóm lại, việc dân chủ hóa quyền truy cập nhằm mục đích tạo điều kiện cho nhiều người và tổ chức, gồm cả nhà nghiên cứu và chuyên gia từ các nền tảng khác nhau, có thể sử dụng và hưởng lợi từ công nghệ tiên tiến, từ đó thúc đẩy sự hợp tác và đổi mới trong lĩnh vực khoa học và công nghệ.
Họ cũng cho biết cần có thêm nhiều nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các phương pháp điện toán lượng tử cho khám phá thuốc. Một thách thức là những hạn chế hiện tại của điện toán lượng tử, chẳng hạn thời gian tính toán dài hơn và mắc lỗi.
