Dirigée par le professeur associé Giuseppe Barca, théoricien de l'Université de Melbourne et expert en HPC, une équipe de recherche a réalisé la première simulation quantique de systèmes biologiques à l'échelle nécessaire pour modéliser avec précision les performances des médicaments.
En utilisant la puissance « exascale » sans précédent du supercalculateur Frontier de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility dans le Tennessee, aux États-Unis, l'équipe a développé un logiciel révolutionnaire capable de prédire avec précision les réactions chimiques et les propriétés physiques de systèmes moléculaires comprenant jusqu'à des centaines de milliers d'atomes – fournissant des prédictions très précises du comportement moléculaire et établissant une nouvelle référence en chimie computationnelle.
Le projet a réuni l'expertise en chimie, en découverte de médicaments, en mécanique quantique et en supercalcul, avec la collaboration du Oak Ridge National Laboratory, de la société leader dans le domaine des semi-conducteurs AMD et de la startup de haute technologie QDX.
Fruit de plus de quatre années de recherche sans précédent, cette avancée permet pour la première fois d’étudier des systèmes à l’échelle biomoléculaire avec une précision de niveau quantique. Cette capacité de simulation de pointe permet d’observer et de comprendre ces systèmes avec un niveau de détail sans précédent, ce qui est essentiel pour améliorer l’évaluation des médicaments traditionnels et concevoir de nouvelles thérapies qui interagissent plus efficacement avec les systèmes biologiques ciblés.
Cette avancée nous permet de simuler le comportement d’un médicament avec une précision qui rivalise avec les expériences physiques. Nous pouvons désormais observer non seulement le mouvement d’un médicament, mais aussi ses propriétés mécaniques quantiques, telles que la rupture et la formation de liaisons, au fil du temps dans un système biologique. Cela est essentiel pour évaluer la viabilité des médicaments et concevoir de nouveaux traitements.
Giuseppe Barca, professeur associé, Université de Melbourne
Aujourd’hui, plus de 80 % des protéines responsables de maladies ne peuvent pas être traitées avec les médicaments existants, et seulement 2 % fonctionnent avec les médicaments connus. Cela montre à quel point les méthodes actuelles sont limitées. La mécanique quantique avancée et le HPC élargissent la panoplie d’outils informatiques pour la découverte de médicaments, offrant des niveaux de vitesse et de précision sans précédent à une échelle biologiquement pertinente. Il est important de noter qu’ils fournissent également des informations et des capacités auparavant impossibles avec la chimie computationnelle traditionnelle pour ouvrir la voie à de nouvelles façons de moduler les cibles d’intérêt thérapeutique et d’élargir le nombre de cibles de maladies pour lesquelles des thérapies efficaces sont disponibles.
Les simulations calculent l'affinité d'une molécule de médicament pour une cible spécifique, comme une protéine génétiquement mutée provoquant une maladie. Les algorithmes calculent ensuite l'efficacité du médicament en évaluant la force de la liaison entre le médicament et la cible, démontrant ainsi la puissance du médicament. Pour tester efficacement un médicament par simulation quantique, le système modèle biologique doit intégrer des milliers d'atomes.
« C’est précisément pour cette raison que nous avons créé Frontier : pour nous attaquer à des problèmes plus vastes et plus complexes auxquels la société est confrontée », a déclaré Dmytro Bykov, chimiste informatique au laboratoire national d’Oak Ridge. « En brisant la barrière de l’exascale, ces simulations propulsent nos capacités informatiques vers un tout nouveau monde de possibilités avec des niveaux de sophistication sans précédent et des délais de résolution radicalement plus rapides – et ce n’est que le début de l’ère de l’exascale. »
Le Dr Jakub Kurzak, membre principal du personnel technique d'AMD et représentant d'AMD au laboratoire national d'Oak Ridge, a déclaré : « Nous sommes ravis de voir que les technologies de calcul haute performance d'AMD permettent une percée scientifique exascale dans la recherche médicale et offrent les performances de calcul nécessaires pour modéliser avec précision la physique hautement complexe des systèmes moléculaires pour la découverte de médicaments. »
Loong Wang, cofondateur et PDG de QDX, a déclaré : « Chez QDX, nous sommes extrêmement enthousiastes à l'idée de transformer des avancées scientifiques révolutionnaires en une plateforme puissante et conviviale qui accélère et améliore la découverte de médicaments, ouvrant ainsi la voie à des traitements innovants. Nos simulations quantiques avancées ont établi une nouvelle référence en matière de précision à des échelles biologiquement pertinentes. Nous espérons que cette technologie permettra de développer de nouveaux médicaments plus rapidement et à moindre coût, et pour des maladies qui ont jusqu'à présent été trop difficiles à traiter. »
Le professeur associé Barca, basé à l'École d'informatique et de systèmes d'information de la Faculté d'ingénierie et de technologie de l'information, a été nommé par L'Australien comme l'un des 250 meilleurs chercheurs d'Australie en 2024.
En 2023, il a cofondé la société QDX, qui utilise déjà des simulations quantiques de haute performance pour accélérer la conception de nouvelles thérapies. QDX a conclu des accords commerciaux avec des sociétés pharmaceutiques et des start-ups technologiques en Australie, à Singapour et aux États-Unis.
« Grâce aux nouvelles capacités informatiques et logicielles qui permettent une modélisation précise au niveau de la mécanique quantique, nous pouvons atteindre une précision prédictive proche des résultats expérimentaux. Ces calculs étaient complètement irréalisables il y a quelques années seulement », a déclaré le professeur associé Barca.
