Moderna und IBM Quantum arbeiten an einer Quantum-gestützten Biotechnologie-Pipeline.
Moderna ist ein führendes Pharma- und Biotechnologieunternehmen. Als Pionier auf dem Gebiet der Boten-RNA (mRNA)-Medikamente und -Impfstoffe nutzt das Unternehmen mRNA-Moleküle, die eine entscheidende Rolle im Körper spielen, um Krankheiten zu behandeln und vorzubeugen. Heute erforscht Moderna im Rahmen einer Forschungs- und Technologiepartnerschaft mit IBM die Anwendung von Quantencomputing bei der Entwicklung von mRNA-Medikamenten.
Der menschliche Körper enthält mehr als 100.000 Arten von Proteinen, und jedes Protein wird von mRNA abgeleitet. Seit Jahrzehnten wissen die Wissenschaftler, dass mRNA das Potenzial hat, die Grundlage für eine neue Klasse von Medikamenten zu bilden, die Krankheiten auf der fundamentalsten Ebene der zellulären Funktion angehen könnten. Moderna hat bei der Umsetzung dieser Erkenntnis eine führende Rolle gespielt.
Das Unternehmen hat die mRNA-Technologie eingesetzt, um Zellen anzuweisen, Proteine zu produzieren, die helfen könnten, Krankheiten zu verhindern oder zu behandeln, die bisher als unheilbar galten.
Klassische Computer sind zwar leistungsstarke Werkzeuge für die Entwicklung von mRNA, haben aber ihre Grenzen, wenn es um rechenintensive Probleme geht. Quantencomputing bietet einen vielversprechenden neuen Ansatz für diese Herausforderungen und ergänzt die klassischen Methoden dort, wo die derzeitigen Algorithmen an ihre Grenzen stoßen.
Eine zentrale Herausforderung für Moderna ist die Entwicklung der mRNA-Technologie, die dem Körper genaue Anweisungen zur Herstellung der Proteine gibt, mit denen Krankheiten behandelt werden können. Für jedes beliebige Protein gibt es eine astronomisch große Anzahl möglicher mRNA-Sequenzen, die es kodieren könnten, was die Optimierung zu einer komplexen Aufgabe macht.
Um ein medizinisches Problem mit mRNA anzugehen, beginnen die Forscher mit der Identifizierung der biologischen Mechanismen, die an einer Krankheit beteiligt sind, und ermitteln, welches Protein diesen Prozess modulieren könnte. Dann identifizieren sie eine Nuklearsequenz, die dieses Protein kodiert. Neben der Kodierung des Proteins müssen die Forscher sicherstellen, dass die Sequenz im Körper stabil ist. Sie müssen auch sicherstellen, dass das Protein in ausreichenden Mengen produziert werden kann, um wirksam zu sein, ohne eine unerwünschte Immunantwort auszulösen. Dies erfordert ein tiefes Verständnis der Zellchemie sowie eine beträchtliche Rechenleistung, um die Millionen möglicher Nukleotidsequenzen zu durchsuchen und die richtige zu finden.
Moderna verfolgt einen schnellen, skalierbaren Ansatz für diese molekulare chemische Arbeit, aber das Unternehmen ist immer auf der Suche nach Möglichkeiten, den Prozess der Entwicklung von mRNA-Medikamenten zu verbessern. Dieses Bestreben hat Moderna dazu veranlasst, sein Fachwissen im Bereich Quantencomputing jetzt zu entwickeln, wo die Technologie an der Schwelle zu nützlichen Anwendungen steht.
„Unser Ziel ist es, den menschlichen Zustand zu verbessern“, so Alexey Galda, Associate Scientific Director, Quantum Algorithmen und Anwendungen bei Moderna. „Wir glauben, dass es entscheidend ist, jedes verfügbare Werkzeug zu erforschen – einschließlich Quantencomputing – um unseren Fortschritt heute zu skalieren, anstatt zu warten, bis die Technologie in der Zukunft vollständig ausgereift ist.“
Um vorhersagen zu können, wie sich ein mRNA-Molekül im Körper verhält, ist es entscheidend, seine Sekundärstruktur zu verstehen, also das Muster der internen Anziehung zwischen den Nukleotiden, das den RNA-Strang dazu bringt, sich zu Stämmen, Schleifen und Wülsten zu falten. Diese Strukturen beeinflussen, wie effizient die mRNA in Proteine übersetzt wird, wie stabil sie ist und wie sie mit den zellulären Maschinen interagiert.
Jede mRNA-Sequenz kann sich theoretisch zu einer astronomisch großen Anzahl von Sekundärstrukturen falten, von denen jedoch nur ein Bruchteil angesichts der physikalischen Gesetze, die das molekulare Verhalten bestimmen, plausibel ist. In der Praxis neigt das Molekül dazu, die Struktur mit der niedrigsten freien Energie anzunehmen, seine stabilste Konformation unter physiologischen Bedingungen. Die Vorhersage dieser Struktur erfordert die Lösung eines komplexen kombinatorischen Optimierungsproblems, was sie ideal für quantengestützte Algorithmen macht.
IBM Unternehmenspartner erforschen mögliche Anwendungen für Variationsquantenalgorithmen (VQAs) – eine Klasse von Algorithmen für die kurzfristige Erforschung von Quantenanwendungen – in Branchen, die vom Finanzwesen bis zur Luft- und Raumfahrt reichen. Die Forschung an VQAs und anderen heuristischen Algorithmen ist spannend, weil die Algorithmen einen Quantenvorteil bringen können, bevor die nächste Generation von Quantencomputertechnologien wie die Fehlerkorrektur kommt.
Die Forscher von Moderna und IBM nutzten den Conditional Value at Risk (CVaR), eine in der Finanzwelt verwendete Technik zur Risikobewertung, um die Leistung von VQAs zu verbessern und optimale Lösungen für komplexe Optimierungsprobleme zu finden. CVaR hilft Anlegern, das Endrisiko eines Portfolios zu bewerten, um den möglichen Investitionsverlust im schlimmsten Fall abzuschätzen. Beim Quantencomputing fokussiert CVaR den Optimierungsprozess auf den unteren Teil der Energieverteilung und zielt damit auf die vielversprechendsten Lösungen ab. CVaR mildert die Varianz, indem es die Optimierung auf den Teil der Messwertverteilung mit der niedrigsten Energie konzentriert. Dadurch wird der klassische Optimierer effektiv auf vielversprechendere Lösungen gelenkt und gleichzeitig die Empfindlichkeit gegenüber verrauschten Sonderfällen reduziert. Da CVaR wie ein leichtgewichtiger klassischer Nachbearbeitungsschritt funktioniert, kann es die VQAs verbessern, ohne einen erheblichen Rechenaufwand zu verursachen.
Der geringe Rechenaufwand von CVaR ist ein wesentlicher Vorteil. Während IBM daran arbeitet, das Rauschen auf der Hardware-Ebene zu unterdrücken – mit verbesserten Architekturen wie dem IBM Quantum Heron-Prozessor, der niedrigere Fehlerraten bietet – sind oft noch zusätzliche Techniken zur Fehlerbegrenzung erforderlich. Bei diesen Techniken werden Quanten- und klassische Ressourcen für die Charakterisierung und Korrektur von Rauscheffekten eingesetzt, was die für die Lösung des eigentlichen wissenschaftlichen Problems verfügbare Rechenleistung verringern kann. CVaR-basierte VQAs tragen dazu bei, diese Belastung zu verringern, indem sie sich effizient auf qualitativ hochwertige Messergebnisse konzentrieren und dabei eine leichtgewichtige klassische Verarbeitung verwenden, wodurch mehr Systemkapazität für sinnvolle Berechnungen genutzt werden kann.
Zurzeit skalieren Quantencomputer schnell und werden immer robuster gegen Rauschen. Wir sind in das Zeitalter des Quantennutzens eingetreten, in dem Quantencomputer für bestimmte Probleme zuverlässige Ergebnisse in einem Umfang liefern können, der über die klassischen Brute-Force-Näherungsmethoden hinausgeht. Jay Gambetta, Vizepräsident von IBM Quantum, geht davon aus, dass die Welt bis 2026 die ersten Beispiele für Quantenvorteile sehen wird, vorausgesetzt, die Quanten- und High-Performance-Computing-Communities arbeiten zusammen, um die Technologie zu übernehmen. Und ein Weg zum Quantenvorteil besteht in der Verfeinerung und Verbesserung heuristischer Methoden. Moderna hat mit IBM zusammengearbeitet, um diesen Weg zu beschreiten und die VQAs praktikabler zu machen, denn sie wissen, dass dies eine Chance bietet, zu den Ersten zu gehören, die eine neue Technologie einsetzen.
„Wir setzen neue Technologien frühzeitig ein, weil wir sie lieber zu unseren eigenen Bedingungen verstehen, als später aufholen zu müssen“, so Wade Davis, Senior Vice President, Digital bei Moderna. „Die Zusammenarbeit mit IBM gab uns die Möglichkeit zu sehen, was dieser Quantenansatz leisten kann, anstatt darauf zu warten, dass er sich zeigt und wir uns dann beeilen müssen, ihn zu verstehen.“
Das gemeinsame Moderna-IBM Research Team hat beeindruckende Ergebnisse erzielt und erforscht nun Quantenansätze zur Vorhersage von Sekundärstrukturen. In einem Artikel aus dem Jahr 2024, der auf der IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering veröffentlicht wurde, demonstrierten sie einen Quantenansatz, der mit den Ergebnissen kommerzieller klassischer Solver für kombinatorische Optimierungsprobleme mithalten kann.
In ihrer Forschung hat das Moderna-IBM-Team CVAR-basierte VQAs auf das Problem der mRNA-Sekundärstrukturvorhersage angewandt. Das Ergebnis war eine der größten und fortschrittlichsten VQA-Ausführungen, die jemals auf Quanten-Hardware realisiert wurden – und eine Demonstration des tatsächlichen Potenzials von Quantencomputing zur Unterstützung der Forschung von Moderna.
Im Jahr 2024 erreichte diese Arbeit eine rekordverdächtige Größenordnung für eine Quantum-basierte Sekundärstruktursimulation, die bis zu 80 Qubits und mRNA-Sequenzlängen von bis zu 60 Nukleotiden umfasst. Soweit den Autoren bekannt ist, hatte noch nie jemand Sequenzen von auch nur 42 Nukleotiden auf einem Quantencomputer simuliert.
In einer Arbeit, die später im Jahr 2025 veröffentlicht wird, wendeten die Forscher dieselbe Methode auf Problemgrößen von bis zu 156 Qubits mit 950 nicht-lokalen Gates an, ein Maß für die Komplexität von Schaltkreisen. Sie stellten auch einen neuen Ansatz für diese Art von Problemen vor, der als instantane Quantenpolynome (Instantaneous Quantum Polynomial, IQP) bezeichnet wird und auf Quantenoptimierungsschaltungen basiert. Dieser auf Sampling basierende Ansatz ermöglicht, ähnlich wie CVaR-basierte VQAs, die effizienteste Nutzung von Quanten- und klassischen Ressourcen in einer gemeinsamen Quanten-High-Performance-Computing (HPC)-Umgebung.
Überlegungen zu einer kurzfristigen Quantum-gestützten Biotechnologie-Pipeline
Das Ziel von Moderna ist es nicht, das klassische Rechnen durch Quantenmethoden zu ersetzen, sondern eine quantengestützte Biotechnologie-Pipeline aufzubauen. „Oft denkt man nur, dass Quantum die klassischen Technologien übertrifft. Das ist nicht unbedingt das Ziel. Es ist auch von großem Wert, wenn Ihr Quantenwerkzeug Ihnen eine größere Vielfalt an Lösungen bieten kann – eine größere Vielfalt an Molekülen, die Sie erzeugen und im Nasslabor testen können“, sagte Galda. „Dieses zusätzliche Tool mit seinen eigenen, sehr spezifischen Qualitäten ist äußerst wertvoll für die Berechnungsprobleme, die zu den zentralen Engpässen in unserem Workflow gehören. Ich denke, das realistischste Szenario ist, dass Quanten unsere klassischen Berechnungen ergänzen und in bestimmten Bereichen gewisse Vorteile bieten werden.“
IBM verfolgt die Vision, dass klassische und Quantenmethoden zusammenarbeiten, um die wichtigsten Probleme der Gesellschaft und der Wirtschaft zu lösen. Beim quantenzentrierten Supercomputing werden die Probleme zwischen Quanten- und klassischen Architekturen aufgeteilt, wobei jede der beiden Architekturen die Fähigkeit der anderen erweitert, schnell Ergebnisse für einst unlösbare Probleme zu liefern. Das IBM-Moderna-Team konzentriert sich auf quantenzentrierte Ansätze für das Sekundärstrukturproblem in noch größeren Maßstäben.
„Die Zusammenarbeit mit IBM“, sagte Davis, „bot die Möglichkeit, mit einem Unternehmen zusammenzuarbeiten, das eine Erfolgsbilanz bei der Bereitstellung wichtiger Forschungsergebnisse vorweisen kann. Und im Bereich des Quantencomputings war es wichtig, dass IBM eine klare Roadmap für die Entwicklung der Technologie und eine Erfolgsbilanz bei der Erreichung von Meilensteinen auf dieser Roadmap vorweisen konnte.“
Mit der Skalierung des Quantencomputings will Moderna bereit sein, es zu nutzen, um den Menschen durch mRNA-Medikamente den größtmöglichen Nutzen zu bringen.
Moderna wurde 2010 gegründet und arbeitet an der Schnittstelle von Wissenschaft, Technologie und Gesundheit, um mRNA-Medikamente mit noch nie dagewesener Geschwindigkeit und Effizienz herzustellen. Durch die Weiterentwicklung der mRNA-Technologie setzt Moderna neue Maßstäbe bei der Herstellung von Medikamenten und verändert die Art und Weise, wie wir Krankheiten für jedermann behandeln und verhindern. Das Unternehmen entwickelte einen der frühesten und wirksamsten COVID-19-Impfstoffe – Spikevax – und einen Impfstoff gegen das Respiratorische Synzytialvirus (RSV). Die mRNA-Plattform von Moderna hat die Entwicklung von Therapeutika und Impfstoffen für Infektionskrankheiten, Immunonkologie, seltene Krankheiten und Autoimmunkrankheiten ermöglicht. Mit einer einzigartigen Kultur und einem globalen Team, das von den Werten und der Mentalität von Moderna angetrieben wird, um die Zukunft der menschlichen Gesundheit verantwortungsvoll zu verändern, strebt das Unternehmen danach, den Menschen durch mRNA-Medikamente den größtmöglichen Nutzen zu bringen.
Rechtshinweise
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Die Beispiele dienen nur zur Veranschaulichung. Die tatsächlichen Ergebnisse variieren je nach Kundenkonfiguration und -bedingungen. Daher können keine allgemein erwarteten Ergebnisse bereitgestellt werden.