Wie Quantencomputer die Entwicklung neuer Medikamente vorantreiben können

Quantencomputer bieten vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten, besonders in der computergestützten Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente. Ein Team von Forschenden der Universität Wien, zusammen mit Experten und Expertinnen von Boehringer Ingelheim, BASF, Google, QC Ware und der Universität Toronto, hat die Potenziale dieser Technologie für den Bereich der Medikamentenentwicklung untersucht.

Berechnung mit Quantencomputer

„Theoretisch sind Quantencomputer in der Lage, die Elektronenstruktur von beliebigen Molekülen vorherzusagen, ohne dass unkontrollierbare Näherungen angewendet werden müssen“, erklärt Leticia González, Theoretische Chemikerin an der Universität Wien, in einer Pressemitteilung. „Bei klassischen Computern steigt die Rechenzeit exponentiell mit der Anzahl der Elektronen des zu simulierenden Moleküls. Dadurch wird die Berechnung ab einer bestimmten Größe unmöglich. Mittels Quantencomputer lässt sich diese Barriere überwinden, das heißt, es lassen sich in Zukunft Substanzen modellieren, für deren Berechnung klassische Computer Jahrhunderte brauchen würden.“

Die Entwicklung von Medikamenten wird durch Forschung, Technologie und Regulierungen vorangetrieben. Entdeckungen in Genomik, Proteomik und Chemie haben diese Entwicklung stark beeinflusst. Computergestützte Methoden beschleunigen den Prozess und helfen, gute Wirkstoffe zu finden. Die Einführung künstlicher Intelligenz hat diesen Prozess weiter beschleunigt und die Identifizierung vielversprechender Wirkstoffkandidaten erleichtert. Mit der Einführung von Quantencomputern könnte dieser Prozess noch weiter optimiert werden.

Wechselwirkung des Arzneimittels mit dem Zielmolekül im Körper

Eine wichtige Frage bei der Entwicklung neuer Medikamente betrifft die Wechselwirkung des Arzneimittels mit dem Zielmolekül im Körper, das den Krankheitsverlauf beeinflusst. Diese Zielmoleküle, genannt Targets, sind oft Enzyme oder Rezeptoren, die mit körpereigenen Botenstoffen interagieren. Die Stärke dieser Interaktion, die Bindungsenergie, ist entscheidend für die Wirksamkeit des Medikaments. Neben Laborexperimenten werden heute auch quantenchemische Methoden verwendet, um diese Bindungsenergie zu bestimmen oder vorherzusagen.

Trotz großer Fortschritte in der Technologie bleibt es schwierig, die genaue Wechselwirkungsenergie zwischen zwei Molekülen auf normalen Computern zu berechnen. Besonders bei Verbindungen mit Metallatomen ist es fast unmöglich, ihre Eigenschaften genau zu beschreiben. Beispiele dafür sind Zytochrome, die in der Atmung wichtig sind, und bestimmte Antitumortherapeutika mit Metallatomen als entscheidendem Bestandteil.

Seit Richard Feynman, der Physiknobelpreisträger der 1980er-Jahre, vorschlug, Quantencomputer für die Simulation und Berechnung quantenmechanischer Systeme zu nutzen, wurden bedeutende Fortschritte erzielt, um eines Tages Quantencomputer routinemäßig für physikalische Simulationen einzusetzen. Eines der vielversprechendsten Anwendungsgebiete ist die Quantenchemie, die darauf abzielt, Struktur und Eigenschaften von Molekülen auf präziser quantenmechanischer Grundlage vorherzusagen.