Un’esplorazione nel mondo della ricerca di ultimissima generazione, applicata anche alle malattie rare
A ottobre 2023 la startup danese Kvantify e il Dipartimento di Chimica del King's College di Londra hanno annunciato una collaborazione per esplorare le applicazioni dell'informatica quantistica nella scoperta di farmaci nell’ambito delle malattie neurodegenerative.
Il 29 aprile 2024 la prima pubblicazione su Nano Letters, la rivista dell’American Chemical Society,: per sondare l’efficacia del peptide antitumorale EEK, una serie di amminoacidi con proprietà antitumorali, il team ha utilizzato simulazioni di queste molecole (simulazione molecolare) e l’apprendimento automatico per studiare la distribuzione di EEK all’interno di una nanoparticella polimerica. Chris Lorenz, del Dipartimento di Fisica del King's College, ha commentato che questi modelli conformazionali nella nanoparticella potrebbero offrire un altro approccio per migliorare l’efficacia dei farmaci. “Se si riescono a individuare modelli in cui i farmaci con particolari caratteristiche chimiche hanno maggiori probabilità di essere immagazzinati all'interno di una nanoparticella, è possibile progettare formulazioni di farmaci che ottimizzino l'assorbimento degli agenti attivi.”
Sempre a fine aprile 2024, Kvantify e la società Novonesis hanno annunciato di aver eseguito il primo calcolo al mondo di una reazione enzimatica combinando computer classici e quantistici.
Ad aprile dello stesso anno Moderna (l’azienda leader nella ricerca e produzione di vaccini a mRNA) e IBM hanno annunciato un accordo per lo sviluppo di capacità di calcolo quantistiche per la progettazione di farmaci a base di mRNA. IBM fornirà l'accesso ai sistemi di calcolo quantistico e alle competenze per assistere Moderna nell'esplorare i casi d'uso delle scienze della vita all'avanguardia basati sulle tecnologie quantistiche.
CHE COSA È E COME FUNZIONA IL CALCOLO QUANTISTICO
“Calcolo quantistico”: un concetto che tutti abbiamo sentito, ma è tutt’altro che semplice da afferrare nel dettaglio dei suoi meccanismi, dal momento che rimanda al mondo della fisica delle particelle e a principi come quello di indeterminazione di Heisenberg, che nega che si possa conoscere allo stesso tempo la posizione e la velocità di una particella subatomica, o esperimenti mentali controintuitivi come quello del famoso gatto di Schroedinger, che al contempo è vivo e morto.
Quando parliamo di utilizzo di sistemi quantistici non parliamo di fisica delle particelle ma siamo nell’ambito della computabilità, ossia della potenza di calcolo di un computer. Il “quantum computing” è una tecnologia emergente e trasformativa che utilizza i principi della meccanica quantistica per risolvere problemi troppo complessi per essere risolti dai computer classici.
Quando scienziati e ingegneri si trovano a dover affrontare problemi molto complessi, ad esempio con molte variabili, usano dei supercomputer, che sono computer classici solo molto grandi, cioè dotati di migliaia di core di CPU e GPU in grado di eseguire calcoli molto grandi e intelligenza artificiale avanzata. Anche il migliore dei supercomputer però è basato sulla tecnologia “classica” a transistor e funziona elaborando un codice binari.
Per esempio serve un supercomputer per modellare il comportamento dei singoli atomi in una molecola, che interagiscono fra loro. Il problema nasce quando dobbiamo risolvere un problema che si basa su una fisica “non classica” come quella quantistica, che segue delle proprie regole. Da diversi decenni scienziati in tutto il mondo hanno quindi iniziato a pensare all’idea di computer che non facciano calcoli processando bit (le unità di informazione con le quali i computer classici svolgono le operazioni) ma con bit quantistici, i cosiddetti qubit, per eseguire algoritmi quantistici multidimensionali. Questo accade perché le informazioni quantistiche in esso contenute sono in uno stato di “sovrapposizione”, che rappresenta una combinazione di tutte le possibili configurazioni del qubit. In altre parole così facendo si possono simulare spazi multidimensionali dove poter rappresentare problemi complessi in modi nuovi e provare a risolverli.
Anche l’oggetto stesso – il computer quantistico – chiaramente deve essere diverso da un normale computer, perché deve funzionare – appunto – esprimendo le leggi della fisica quantistica. Qui entra in gioco il concetto di superconduttore. Per raffreddare i processori quantistici portandoli a circa un centesimo di grado sopra lo zero assoluto, per evitare la "decoerenza" o mantenere i loro stati quantistici, sono necessari dei superfluidi ultra-raffreddati. Si chiamano superconduttori perché a queste temperature bassissime gli elettroni si muovono attraverso questi conduttori senza resistenza, che è un noto effetto quantistico.
COMPUTER QUANTISTICI, IA E MEDICINA
Che cosa accade quando queste macchine potentissime incontrano l’IA? Gli scienziati di IBM e Moderna applicheranno ad esempio MoLFormer, un foundation model di AI che aiuta gli scienziati a prevedere le proprietà di una molecola e a comprendere le caratteristiche dei potenziali farmaci a mRNA, che non riguardano solo i vaccini che abbiamo imparato a conoscere durante la pandemia.
A maggio 2024 la notizia che la tecnologia a mRNA ha mostrato i primi successi nel trattamento della rara malattia genetica che causa l’accumulo di sostanze tossiche nel sangue e nei tessuti, l’acidemia propionica. A inizio aprile sempre Moderna aveva annunciato la pubblicazione dei risultati preliminari di uno studio di Fase I/II che ha l’obiettivo di valutare l'efficacia e la sicurezza di mRNA-3927, un trattamento sperimentale con mRNA per l'acidemia propionica.
L'obiettivo di Moderna nella partnership con IBM è utilizzare MoLFormer per aiutare a ottimizzare le nanoparticelle lipidiche, che incapsulano e proteggono l'mRNA mentre viaggia all'interno del corpo, e l'mRNA, che agisce come istruzioni per le cellule. Nell'ambito di questa iniziativa, Moderna e IBM combineranno la scoperta di formulazioni all'avanguardia con l'AI generativa per progettare medicinali basati sulla tecnologia a mRNA.
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