高性能计算和量子化学推动药物发现

由墨尔本大学理论家和 HPC 专家副教授 Giuseppe Barca 领导的研究小组首次实现了生物系统的量子模拟，其规模足以准确模拟药物性能。

该团队利用位于美国田纳西州橡树岭领导力计算中心的Frontier超级计算机前所未有的“百亿亿次”计算能力，开发出了突破性的软件，能够准确预测由多达数十万个原子组成的分子系统的化学反应和物理性质，从而对分子行为做出高度精确的预测，并为计算化学树立了新的标杆。

该项目汇集了化学、药物研发、量子力学和超级计算方面的专业知识，由橡树岭国家实验室、领先的半导体公司 AMD 和深度科技初创公司 QDX 共同合作完成。

这一进步是四年多破纪录研究的成果，它首次使得人们能够以量子级精度研究生物分子级系统。

这种尖端的模拟能力使得我们能够以前所未有的细节观察和理解这些系统，这对于改善传统药物的评估和设计与目标生物系统更有效相互作用的新疗法至关重要。

“这一突破使我们能够以与物理实验相媲美的精度模拟药物行为。我们现在不仅可以观察药物的运动，还可以观察其量子力学特性，例如生物系统中的键断裂和形成。这对于评估药物可行性和设计新疗法至关重要，”Barca 副教授说。

目前，超过 80% 的致病蛋白质无法用现有药物治疗，仅有 2% 的致病蛋白质能用已知药物治疗。这表明目前的方法非常有限。

先进的量子力学和 HPC 拓宽了药物发现的计算工具集，在生物相关规模上提供了前所未有的速度和准确性。

重要的是，它们还提供了传统计算化学以前无法实现的见解和能力，以开辟调节治疗目标的新方法并扩大可有效治疗的疾病目标的数量。

模拟计算药物分子对特定靶标(如导致疾病的基因突变蛋白质)的亲和力。然后，算法通过评估药物与靶标之间的键强度来计算药物的有效性，从而显示药物的效力。为了通过量子模拟有效地测试药物，生物模型系统必须整合数千个原子。

橡树岭国家实验室的计算化学家 Dmytro Bykov 表示： “这正是我们建立 Frontier 的原因，以解决社会面临的更大、更复杂的问题。通过突破百亿亿次级障碍，这些模拟将我们的计算能力推向了一个全新的可能性世界，其复杂程度达到了前所未有的水平，解决问题的时间也大大加快了——而这只是百亿亿次级时代的开始。”

AMD 首席技术人员、橡树岭国家实验室 AMD 代表 Jakub Kurzak 博士表示：“我们很高兴看到 AMD高性能计算技术推动百亿亿次级科学在医学研究中取得突破，并提供计算性能来精确模拟药物研发中分子系统高度复杂的物理特性。”

QDX 联合创始人兼首席执行官 Loong Wang 表示：“在 QDX，我们非常高兴能够将突破性的科学进步转化为一个功能强大、用户友好的平台，从而加速和增强药物研发，为创新治疗打开大门。我们先进的量子模拟为生物相关规模的准确性树立了新的标杆。

“我们希望这项技术能够更快、更便宜地开发新药，用于治疗迄今为止难以治疗的疾病。”

巴尔卡副教授是工程与信息技术学院计算机与信息系统学院的教授，被《澳大利亚人报》提名为 2024 年澳大利亚 250 名顶尖研究人员之一。

2023 年，他与他人共同创立了 QDX 公司，该公司已开始使用高性能量子模拟来加速新疗法的设计。QDX 已与澳大利亚、新加坡和美国的制药公司和科技初创公司达成商业协议。

“得益于新的计算和软件功能，我们可以在量子力学层面进行精确建模，从而实现接近实验结果的预测精度。这些计算在几年前是完全不可行的，”巴尔卡副教授说。