MoSeGad è il nome del progetto innovativo in cui è impegnata Dompé farmaceutici e finalizzato a sfruttare le potenzialità uniche del quantum computing al fine di dare vita a nuovi farmaci. Il nome del progetto è presto spiegato: MoSeGad è l’acronimo spurio che concretizza i processi MOlecular StructurE Generation And Docking, il cui scopo è la generazione di nuove molecole ma anche il processo di riconoscimento delle stesse tramite il computer. Come già spiegava nel 2011 un interessante articolo (oggi disponibile ancora presso la National Library of Medicine statunitense), il docking molecolare può essere utilizzato anche per modellare l’interazione tra una piccola molecola e una proteina a livello atomico, il che consente di caratterizzare il comportamento anche delle più piccole molecole nel binding site delle proteine bersaglio, e di far luce sui processi biochimici fondamentali.
ll completamento della mappatura del genoma umano ha portato a un numero crescente di nuovi target terapeutici per la scoperta di farmaci, ed anche il docking molecolare, che per le simulazioni ha potuto fino ad oggi far conto solo sulle risorse di calcolo Hpc tradizionali, oggi con gli avanzamenti nell’utilizzo del quantum computing vede nuove vie aprirsi a vantaggio di tutto il mondo farmaceutico.
Per potenziare le ricerche proprio in queste direzioni Dompé farmaceutici ha scelto come partnership tecnologico E4 Computer Engineering, così da sfruttare appieno le potenzialità degli strumenti quantistici nel molecular docking. Inquadriamo allora meglio lo scenario. Dompé farmaceutici – società madre del gruppo Dompé con sede a Milano e interamente controllata da Dompé Holdings – è un’azienda biofarmaceutica internazionale attiva in tutte le fasi della filiera farmaceutica, dalla ricerca e sviluppo alla produzione, fino alla commercializzazione.
Nella storia dell’azienda il primo laboratorio è proprio stato quello milanese, oggi si parla però di una multinazionale impegnata nei settori della primary care e del biofarmaceutico: un’impresa ‘familiare’ con 130 anni di esperienza che coniuga la stabilità di un’azienda storica con l’agilità e il dinamismo tipiche di una startup. E4 Computer Engineering invece, già conosciuta dal nostro pubblico, progetta e realizza soluzioni per cluster Hpc, cloud, data analytics, AI e hyper-converged infrastructure e collabora con i principali centri di ricerca a livello nazionale e internazionale (tra cui Cineca, Cern, Ecmwf, Leonardo) oltre ad essere coinvolta in progetti di livello nazionale ed europeo come l’EuroHpc e Horizon Europe.
Il progetto e il metodo
La partnership tra le due realtà trasforma un ‘normale’ progetto MoSeGad in una vera e propria sperimentazione MOlecular StructurE Generation And Docking with Quantum Computing che si basa sullo studio di due algoritmi quantistici: il primo, legato alla generazione della struttura tridimensionale della molecola; il secondo, più strettamente legato al molecular docking, perché la tecnica computazionale specifica che permette lo studio dell’interazione tra molecole utilizza per farlo la formulazione Qubo, ovvero la Quadratic Unconstraint Binary Optimization. E’ un approccio matematico che consente di sfruttare al massimo le caratteristiche di alcuni computer quantistici chiamati quantum annealers (lasciamo ai curiosi approfondire qui l’argomento).
MoSeGad, nato nel contesto del lungo legame tra E4 e Dompé, ha alle spalle già circa 12 mesi di vita e si è mosso a partire da una sessione di lavoro condivisa dedicata alle tecnologie quantistiche, durante la quale sono emerse proprio le potenzialità del quantum computing nel settore farmacologico. In particolare applicato al sistemi molecular docking. La sperimentazione vede coinvolti partner come il Centro Nazionale di Calcolo Cineca, l’Università dell’Aquila e il Politecnico di Milano con il team quantum di E4 che oggi è in fase di espansione ma già può contare su una decina di membri, tra fisici e ingegneri, tra i quali anche neolaureati con competenze specifiche in una disciplina ancora decisamente poco navigata.
MoSeGad conferma come gli strumenti quantistici applicati in questo ambito consentano di abbattere la complessità dei problemi e migliorare la qualità delle simulazioni, riducendo sensibilmente i tempi di calcolo rispetto al calcolo Hpc tradizionale. Per superare i limiti delle quantum machine odierne – prototipi costosi, soggetti ad errori e dotati di un numero di qubit non ancora adeguato – il progetto utilizza in una prima fase server E4 dotati di acceleratori Nvidia come emulatori. E solleva l’interesse degli addetti ai lavori tanto da essere stato scelto, tra sette proposte ammesse, dall’Italian Center for Super Computing (Icsc). A distinguerlo la coerenza e chiarezza degli obiettivi realizzativi, la fattibilità del piano di lavoro, l’esperienza nella gestione di progetti analoghi e la collaborazione con enti internazionali di ricerca. Ora si è nella fase operativa vera e propria e i gruppi di lavoro iniziano ad analizzare i modelli da usare e a preparare i dataset su cui fare le simulazioni, che richiederanno un lavoro dalla durata complessiva di 15 mesi.
I risultati
Introduce così le valutazioni su vantaggi e risultati Anna Fava, senior software engineer di Dompé: La lunga collaborazione tra Dompé e E4 nell’ambito Hpc non poteva prescindere dai considerevoli risultati raggiunti grazie al Vqe, che è un cruciale esempio di come la computazione quantistica e quella classica possano lavorare in sinergia” -.
Spieghiamo: i Variational Quantum Eigensolver (Vqe, appunto) sono una classe di algoritmi quantistici che sfruttano le risorse di calcolo classiche e quantistiche e si rivelano particolarmente utili per risolvere problemi di ottimizzazione e di autovalori, che trovano applicazione in vari campi, tra cui la chimica -. Prosegue e conclude Fava: “L’obiettivo della Vqe è di trovare un insieme di operazioni quantistiche che preparino lo stato a più bassa energia, nel nostro caso la conformazione più stabile e probabile che una molecola assume all’interno di una tasca proteica”.
La prima fase del progetto MoSeGad ha sfruttato proprio questa combinazione, con un vantaggio evidente: “la parte quantistica può eseguire calcoli che sarebbero proibitivamente costosi per un computer classico, mentre la parte classica può sfruttare le sue capacità di calcolo con potenti algoritmi per ottimizzare rapidamente i parametri”.
Interessante nel progetto anche la valutazione per le prospettive future di ricerca, come vuole spiegare invece Daniele Gregori, chief scientific officer, di E4 Computer Engineering: “]…[ non esistono ancora sistemi con un numero di qubit adeguati alle esigenze reali. Stiamo però superando questo problema tramite l’emulazione proprio sui sistemi dotati di acceleratori Nvidia. Va allo stesso tempo detto che non ci aspettiamo tempi indefiniti per avere le prime macchine ‘adatte’ a questa computazione”. Per questo specifico caso d’uso potrebbero bastare “appena” un centinaio di qubit logici. Si potrebbe allora davvero parlare di una vera e propria killer app nell’ambito quantum computing.
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