विज्ञान और शिक्षा के लिए गहन शोध

आणविक मॉडलिंग में क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोग: दवा की खोज में तेजी लाना और फार्मास्युटिकल रिसर्च को बदलना

कार्यकारी सारांश

यह रिपोर्ट दवा खोज प्रक्रियाओं पर आणविक मॉडलिंग में क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के प्रभाव की जांच करती है और दवा अनुसंधान के प्रभावों का विश्लेषण करती है। सबूत बताते हैं कि क्वांटम कंप्यूटिंग में अधिक सटीक आणविक सिमुलेशन और अनुकूलन को सक्षम करके दवा की खोज के कुछ पहलुओं को तेज करने की महत्वपूर्ण क्षमता है, जो शास्त्रीय कंप्यूटिंग के साथ कम्प्यूटेशनल रूप से निषेधात्मक हैं। हालांकि, यह क्षेत्र अभी भी विकसित हो रहा है, वर्तमान कार्यान्वयन में मुख्य रूप से हाइब्रिड क्वांटम-क्लासिकल दृष्टिकोणों का उपयोग किया जा रहा है। यह रिपोर्ट दवा की खोज में क्वांटम कंप्यूटिंग की वर्तमान स्थिति, इसके विशिष्ट अनुप्रयोगों, बनी चुनौतियों और दवा उद्योग के लिए व्यापक प्रभावों की पड़ताल करती है।

परिचय

दवा की खोज एक जटिल, समय लेने वाली और महंगी प्रक्रिया है, जिसमें एक ही दवा के विकास में अक्सर एक दशक से अधिक समय लगता है और अरबों डॉलर खर्च होते हैं। इस प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण अड़चन क्लासिकल कंप्यूटरों के साथ जटिल आणविक इंटरैक्शन को मॉडलिंग करने की कम्प्यूटेशनल सीमा है। क्वांटम कंप्यूटिंग आणविक प्रणालियों को अधिक सटीक और कुशलता से अनुकरण करने के लिए क्वांटम मैकेनिकल सिद्धांतों का लाभ उठाकर इस चुनौती का एक आशाजनक समाधान प्रदान करता है।

फार्मास्युटिकल उद्योग ऐतिहासिक रूप से कम्प्यूटेशनल केमिस्ट्री टूल्स को जल्दी अपनाने वाला रहा है और अनुसंधान एवं विकास प्रक्रियाओं को बेहतर बनाने के लिए उभरती प्रौद्योगिकियों में निवेश करना जारी रखता है। अकेले 2023 में दवा कंपनियों ने क्वांटम कंप्यूटिंग रिसर्च में $400 मिलियन से अधिक का निवेश किया है 13, दवा की खोज को बदलने के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग की क्षमता की मान्यता बढ़ रही है।

आणविक मॉडलिंग में क्वांटम कंप्यूटिंग की वर्तमान स्थिति

आणविक मॉडलिंग में क्वांटम कंप्यूटिंग फंडामेंटल

क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम बिट्स (qubits) का लाभ उठाते हैं जो सुपरपोजिशन के कारण एक साथ कई राज्यों में मौजूद हो सकते हैं, जिससे उन्हें समानांतर में जटिल गणनाओं को संसाधित करने की अनुमति मिलती है। यह क्षमता आणविक मॉडलिंग के लिए विशेष रूप से मूल्यवान है, जहां शास्त्रीय कंप्यूटर क्वांटम सिस्टम का अनुकरण करने की घातीय जटिलता के साथ संघर्ष करते हैं।

डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (DFT) जैसे शास्त्रीय कम्प्यूटेशनल तरीकों के विपरीत, क्वांटम कंप्यूटिंग सैद्धांतिक रूप से इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन को स्पष्ट रूप से मॉडलिंग करके आणविक प्रणालियों का अधिक सटीक प्रतिनिधित्व प्रदान कर सकती है 1। क्वांटम स्तर पर ड्रग-टारगेट इंटरैक्शन को समझने के लिए यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

हाइब्रिड क्वांटम-क्लासिकल दृष्टिकोण

वर्तमान अनुप्रयोग मुख्य रूप से हाइब्रिड पद्धतियों का उपयोग करते हैं जो क्वांटम कंप्यूटिंग सबरूटीन्स के साथ शास्त्रीय एल्गोरिदम को जोड़ते हैं 2। यह दृष्टिकोण वर्तमान क्वांटम हार्डवेयर की सीमाओं को स्वीकार करता है, जबकि अभी भी जहां संभव हो, क्वांटम लाभों का लाभ उठाता है।

ड्रग डिस्कवरी में लागू किए जा रहे प्रमुख क्वांटम एल्गोरिदम में शामिल हैं:

1. वैरिएशनल क्वांटम आइजनसॉल्वर (VQE) - एक सक्रिय दवा घटक और एक लक्ष्य रिसेप्टर के बीच बाध्यकारी आत्मीयता की गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है 2

2. काल्पनिक समय का विकास - कई-कण प्रणालियों की जमीनी अवस्था और उत्तेजित-अवस्था ऊर्जा को खोजने के लिए एक एल्गोरिथ्म 2

3. क्वांटम अनुमानित अनुकूलन एल्गोरिथम - प्रोटीन फोल्डिंग समस्याओं पर लागू 1

ये हाइब्रिड दृष्टिकोण आगे बढ़ने के व्यावहारिक मार्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं जबकि क्वांटम हार्डवेयर परिपक्व होता रहता है। उदाहरण के लिए, शोधकर्ताओं ने कैंसर के मार्गों को लक्षित करने वाले छोटे अणुओं को डिजाइन करने के लिए हाइब्रिड क्वांटम-क्लासिकल मॉडल को सफलतापूर्वक विकसित किया है। 12, वास्तविक दुनिया की प्रयोज्यता का प्रदर्शन।

ड्रग डिस्कवरी पाइपलाइन में अनुप्रयोग

लक्ष्य पहचान और सत्यापन

क्वांटम कंप्यूटिंग प्रोटीन संरचना और कार्य की समझ में सुधार करके लक्ष्य पहचान में योगदान कर सकती है। जबकि Google के अल्फाफोल्ड जैसे शास्त्रीय AI दृष्टिकोणों ने प्रोटीन संरचना की भविष्यवाणी में महत्वपूर्ण प्रगति की है, क्वांटम कंप्यूटिंग जटिल प्रोटीन-प्रोटीन इंटरैक्शन, प्रोटीन-लिगैंड इंटरैक्शन और प्रोटीन कॉम्प्लेक्स के निर्माण के लिए अतिरिक्त क्षमताएं प्रदान करता है। 2।

हिट जनरेशन और वैलिडेशन

क्वांटम कंप्यूटिंग की समानांतर प्रसंस्करण क्षमताएं हिट जनरेशन और सत्यापन के दौरान विशेष रूप से मूल्यवान हैं 2। वर्तमान में, कंप्यूटिंग पावर कंप्यूटर-एडेड ड्रग डिज़ाइन (CADD) को क्रमिक रूप से संसाधित किए गए छोटे और मध्यम आकार के ड्रग उम्मीदवारों तक सीमित कर देती है। पर्याप्त शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटरों के साथ, दवा कंपनियां इन अनुप्रयोगों को चुनिंदा बायोलॉजिक्स तक विस्तारित कर सकती हैं, जिसमें अर्ध-संश्लेषित बायोलॉजिक्स और फ्यूजन प्रोटीन शामिल हैं 2।

आणविक सिमुलेशन और ऑप्टिमाइज़ेशन

दवा की खोज में क्वांटम कंप्यूटिंग के सबसे आशाजनक अनुप्रयोगों में से एक उन पैमानों पर आणविक अंतःक्रियाओं का अनुकरण है जिन्हें शास्त्रीय प्रणालियां कुशलता से संभाल नहीं सकती हैं। 3। यह अधिक सटीक पूर्वानुमान प्रदान करता है कि संभावित दवा उम्मीदवार लक्ष्य प्रोटीन के साथ कैसे इंटरैक्ट कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से व्यापक प्रयोगात्मक परीक्षण की आवश्यकता कम हो जाती है।

ड्रग डिस्कवरी प्रक्रियाओं का त्वरण

बढ़ी हुई गति और सटीकता

क्वांटम कंप्यूटिंग दवा की खोज में कुछ कम्प्यूटेशनल कार्यों की गति को काफी बढ़ा सकती है। उदाहरण के लिए, क्वांटम एल्गोरिदम जटिल आणविक सिमुलेशन को क्रमिक रूप से एक साथ प्रोसेस कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से ड्रग उम्मीदवारों की वर्चुअल स्क्रीनिंग के लिए आवश्यक समय कम हो जाता है। 4।

इसके अतिरिक्त, क्वांटम कंप्यूटिंग दृष्टिकोण से क्वांटम हार्डवेयर के पैमाने पर सटीकता और दक्षता दोनों के मामले में डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी जैसे मौजूदा समाधानों से काफी बेहतर प्रदर्शन करने की उम्मीद है। 1। इस बेहतर सटीकता से दवा के विकास के बाद के चरणों में सफलता दर बढ़ सकती है।

परीक्षण-और-त्रुटि दृष्टिकोणों में कमी

क्वांटम कंप्यूटिंग का एक प्रमुख लाभ फार्मास्युटिकल रिसर्च में ट्रायल-एंड-एरर विधियों पर निर्भरता को कम करने की इसकी क्षमता है 11। अधिक सटीक आणविक मॉडलिंग को सक्षम करके, क्वांटम कंप्यूटिंग शोधकर्ताओं को खोज प्रक्रिया में पहले के सबसे होनहार दवा उम्मीदवारों पर ध्यान केंद्रित करने में मदद कर सकती है।

उदाहरण के लिए, दवा कंपनियां कभी-कभी लक्ष्य प्रोटीन की पूरी संरचना को जाने बिना दवाओं का विकास करती हैं, जो बाद के विकास चरणों में परीक्षण-और-त्रुटि दृष्टिकोण के जोखिम को स्वीकार करती हैं 2। क्वांटम कंप्यूटिंग अधिक सटीक संरचनात्मक पूर्वानुमान प्रदान करके इस जोखिम को कम कर सकती है।

वर्तमान सीमाएँ और समयरेखा

अपने वादे के बावजूद, दवा की खोज में क्वांटम कंप्यूटिंग को कई सीमाओं का सामना करना पड़ता है:

1. हार्डवेयर की बाधाएं - वर्तमान क्वांटम कंप्यूटरों में सीमित मात्रा और उच्च त्रुटि दर होती है, जो उन अणुओं के आकार को सीमित करती है जिन्हें सिम्युलेटेड किया जा सकता है

2. स्केलिंग चुनौतियां - छोटे-अणु दवाओं का वर्णन करने के लिए कम परिपक्व क्वांटम कंप्यूटरों की आवश्यकता होती है, जबकि बायोलॉजिक्स के लिए अनुप्रयोग केवल क्वांटम कंप्यूटिंग परिपक्व होने पर ही संभव होगा 2

3. एल्गोरिथम विकास - दवा की खोज के लिए क्वांटम एल्गोरिदम अभी भी विकसित हो रहे हैं और उन्हें और अधिक परिष्कृत करने की आवश्यकता है

जबकि क्वांटम कंप्यूटिंग दवा की खोज में तेजी लाने का वादा दिखाती है, कई दवा अनुप्रयोगों में व्यावहारिक क्वांटम लाभ अभी भी वर्षों दूर हो सकता है। वर्तमान कार्यान्वयन पूरी तरह से शुरू से अंत तक त्वरण के बजाय दवा खोज पाइपलाइन के विशिष्ट घटकों पर केंद्रित हैं।

फार्मास्युटिकल रिसर्च के लिए निहितार्थ

आर्थिक निहितार्थ

फार्मास्युटिकल रिसर्च में क्वांटम कंप्यूटिंग के आर्थिक प्रभाव संभावित रूप से पर्याप्त हैं। दवा का विकास बेहद महंगा है, जिसमें एक नई दवा विकसित करने की औसत लागत $2 बिलियन से अधिक है। शुरुआती चरण की दवा की खोज की दक्षता में सुधार करके, क्वांटम कंप्यूटिंग इन लागतों को काफी कम कर सकती है।

फार्मास्युटिकल सेक्टर अपनी तकनीक-तैयार संस्कृति को देखते हुए इस अवसर का लाभ उठाने के लिए अच्छी स्थिति में है, जिसमें पहले से ही कंप्यूटर-एडेड ड्रग डिज़ाइन, AI, मशीन लर्निंग और गैर-क्वांटम आणविक सिमुलेशन टूल जैसे डिजिटल टूल शामिल हैं 2।

रणनीतिक स्थिति और निवेश

फार्मास्युटिकल कंपनियां क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए विभिन्न रणनीतिक दृष्टिकोण अपना रही हैं:

1. कुछ कंपनियां इन-हाउस क्षमताओं को विकसित करने में महत्वपूर्ण निवेश कर रही हैं

2. अन्य क्वांटम कंप्यूटिंग विशेषज्ञों के साथ संयुक्त विकास रणनीतियों का पीछा कर रहे हैं

3. कई लोग प्रतीक्षा करें और देखें दृष्टिकोण अपना रहे हैं, संसाधनों को प्रतिबद्ध करने से पहले विकास की निगरानी कर रहे हैं

निवेश का पैमाना (2023 में $400 मिलियन) इंगित करता है कि प्रमुख दवा कंपनियां दवा की खोज में क्वांटम कंप्यूटिंग के संभावित मूल्य को पहचानती हैं 13। जैसे-जैसे तकनीक परिपक्व होगी और इससे अधिक ठोस लाभ प्रदर्शित होंगे, इस निवेश के बढ़ने की संभावना है।

सहयोग और उद्योग रूपांतरण

दवा की खोज में क्वांटम कंप्यूटिंग के उद्भव ने दवा कंपनियों, प्रौद्योगिकी प्रदाताओं और शैक्षणिक संस्थानों के बीच सहयोग को बढ़ावा दिया है। दवा की खोज में क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों को आगे बढ़ाने के लिए Amazon Web Services और IBM जैसी प्रमुख प्रौद्योगिकी कंपनियां दवा कंपनियों के साथ साझेदारी कर रही हैं। 15।

विशेष रूप से दवा खोज अनुप्रयोगों पर ध्यान केंद्रित करने वाली विशिष्ट क्वांटम कंप्यूटिंग कंपनियां भी सामने आई हैं, जिनमें मेंटेन एआई, पोलारिस क्वांटम बायोटेक और एकेमिया शामिल हैं। 15। ये सहयोग फार्मास्युटिकल रिसर्च के लिए नए बिजनेस मॉडल और दृष्टिकोण तैयार कर रहे हैं।

विनियामक विचार

चूंकि क्वांटम कंप्यूटिंग दवा की खोज में तेजी लाती है, इसलिए नियामक ढांचे को अनुकूलित करने की आवश्यकता हो सकती है। उन्नत कम्प्यूटेशनल तरीकों के लिए नए सत्यापन दृष्टिकोणों की आवश्यकता हो सकती है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि क्वांटम विधियों के माध्यम से पहचाने जाने वाले दवा उम्मीदवार सुरक्षा और प्रभावकारिता मानकों को पूरा करते हैं। यह दवा उद्योग और नियामक निकायों के लिए नए अनुमोदन मार्गों पर एक साथ काम करने के लिए एक चुनौती और अवसर दोनों का प्रतिनिधित्व करता है।

फ्यूचर आउटलुक

नियर-टर्म प्रॉस्पेक्ट्स

निकट अवधि में, हाइब्रिड क्वांटम-क्लासिकल दृष्टिकोण हावी रहेंगे, जिसमें क्वांटम कंप्यूटिंग संपूर्ण दवा खोज प्रक्रिया को बदलने के बजाय विशिष्ट कम्प्यूटेशनल बाधाओं में लाभ प्रदान करेगी। अनुप्रयोगों के विस्तार के लिए एल्गोरिथम विकास और क्वांटम हार्डवेयर में निरंतर निवेश महत्वपूर्ण होगा।

हाल के प्रदर्शन, जैसे कि गेरो द्वारा दवा डिजाइन के लिए क्वांटम कंप्यूटिंग का अनुप्रयोग 17 और विशेष रूप से दवा खोज विधियों के लिए डिज़ाइन किए गए क्वांटम प्रोसेसर का विकास 5, व्यावहारिक कार्यान्वयन में हो रही प्रगति को उजागर करें।

दीर्घकालिक परिवर्तनकारी क्षमता

लंबी अवधि में, क्वांटम हार्डवेयर परिपक्व होने पर, क्वांटम कंप्यूटिंग निम्नलिखित को सक्षम करके दवा अनुसंधान को मौलिक रूप से बदल सकती है:

1. बड़ी जैविक प्रणालियों का अनुकरण - छोटे अणुओं से परे जटिल प्रोटीन प्रणालियों और सेलुलर प्रक्रियाओं तक जाना

2. वैयक्तिकृत दवा दृष्टिकोण - क्वांटम कंप्यूटिंग का उपयोग यह मॉडल करने के लिए करना कि ड्रग्स विशिष्ट आनुवंशिक वेरिएंट के साथ कैसे इंटरैक्ट करते हैं

3. नई खोज के प्रतिमान - पारंपरिक दवा खोज दृष्टिकोण से आगे बढ़ते हुए पूरी तरह से नए कम्प्यूटेशनल प्रतिमानों की ओर अग्रसर

4. अन्य उभरती प्रौद्योगिकियों के साथ एकीकरण - अधिक शक्तिशाली शोध उपकरण बनाने के लिए AI, मशीन लर्निंग और ऑटोमेशन के साथ क्वांटम कंप्यूटिंग का संयोजन

निष्कर्ष

आणविक मॉडलिंग में क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोग दवा की खोज प्रक्रियाओं में तेजी लाने की महत्वपूर्ण क्षमता दिखाते हैं, विशेष रूप से आणविक सिमुलेशन, हिट पहचान और अनुकूलन, और प्रोटीन इंटरैक्शन मॉडलिंग के क्षेत्रों में। फार्मास्युटिकल रिसर्च के निहितार्थ काफी हैं, जिनमें आर्थिक लाभ से लेकर विकास लागत में कमी से लेकर उन कंपनियों के लिए रणनीतिक अवसर शामिल हैं, जो इस तकनीक का प्रभावी ढंग से लाभ उठाती हैं।

जबकि वर्तमान कार्यान्वयन हार्डवेयर बाधाओं से सीमित हैं और मुख्य रूप से हाइब्रिड दृष्टिकोणों का उपयोग करते हैं, दवा उद्योग का पर्याप्त निवेश प्रौद्योगिकी की भविष्य की क्षमता में विश्वास को दर्शाता है। जैसे-जैसे क्वांटम कंप्यूटिंग आगे बढ़ रही है, दवा की खोज और दवा अनुसंधान पर इसका प्रभाव बढ़ने की संभावना है, जिससे संभावित रूप से बीमारियों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए नए उपचारों का तेजी से विकास हो सकता है।

दवा कंपनियों के लिए, सवाल यह नहीं है कि क्वांटम कंप्यूटिंग के साथ जुड़ना है या नहीं, बल्कि इस उभरती हुई तकनीक से परिपक्व होने पर लाभ उठाने के लिए रणनीतिक रूप से खुद को कैसे स्थान दिया जाए। जो लोग क्वांटम कंप्यूटिंग को अपनी अनुसंधान एवं विकास पाइपलाइनों में सफलतापूर्वक एकीकृत करते हैं, वे आने वाले दशकों में त्वरित खोज प्रक्रियाओं और दवा विकास में बेहतर सफलता दर के माध्यम से महत्वपूर्ण प्रतिस्पर्धात्मक लाभ प्राप्त कर सकते हैं।