No setor farmacêutico, é comum investir bilhões de dólares na disponibilização de medicamentos, mas 90% deles nem chegam à fase de ensaios clínicos.
O problema é, e sempre foi, que não há capacidade de computação suficiente no mundo para analisar com precisão as propriedades de todas as moléculas possíveis nem para realizar os experimentos necessários na descoberta de medicamentos.
“É provável que haja mais compostos de medicamentos possíveis do que átomos no universo”, afirmou Patrick Lorton, Diretor de Tecnologia da Schrödinger, a desenvolvedora nova-iorquina de uma plataforma de software baseada na física criada para modelar e calcular as propriedades de novas moléculas para os setores farmacêutico e de materiais.
“Observar um bilhão de moléculas e dizer que não existe nenhum possível medicamento nelas é o mesmo que olhar para uma gota d’água no mar e dizer que peixes não existem”, explicou.
Com o capital aberto desde o início do ano, a Schrödinger passou anos aprimorando algoritmos computacionais para calcular propriedades importantes de moléculas com precisão. A empresa usa GPUs NVIDIA para gerar e avaliar petabytes de dados e acelerar a descoberta de medicamentos, um avanço considerável em relação ao processo padrão de estudos demorados e caros em laboratório.
A empresa colabora com todas as 20 maiores empresas farmacêuticas do mundo, muitas das quais usam a plataforma da Schrödinger como padrão e principal componente de pesquisas pré-clínicas.
A pandemia de COVID-19 mostra a necessidade de um processo de descoberta de medicamentos mais eficiente e eficaz. Por isso, a empresa entrou em uma aliança global de pesquisa e desenvolvimento sobre a COVID-19 para oferecer recursos e colaborar. Recentemente, o Google Cloud também mostrou seu apoio à aliança, dedicando mais de 16 milhões de horas de processamento em GPUs NVIDIA para tentar encontrar uma cura.
“Esperamos desenvolver, a tempo, um medicamento antiviral para o SARS-CoV-2, o vírus que causa a COVID-19, para oferecer tratamentos para as próximas ondas da pandemia”, revelou Lorton.
Software Avançado de Simulação
O setor farmacêutico sempre dependeu de processos físicos muito manuais para descobrir novos medicamentos. Por causa disso, foi possível desenvolver vários medicamentos importantes nos últimos 50 anos, mas apenas com uma abordagem trabalhosa de tentativa e erro, apontou Lorton.
Ele compara o método ao de fabricantes de aeronaves, que antes criavam modelos com madeira de balsa e testavam o coeficiente de arrasto em túneis de vento. Agora, usam um software avançado de simulação que diminui o tempo e os recursos necessários para testar os designs.
Como o setor farmacêutico tradicionalmente usa o equivalente à madeira de balsa, a plataforma de descoberta de medicamentos da Schrödinger revolucionou o mercado.
“Estamos tentando aumentar a eficiência da descoberta pré-clínica de medicamentos”, declarou Lorton. “Assim, o setor poderá tratar mais doenças e ajudar no alívio de sintomas.”
Explorando Novos Espaços
Há mais de uma década, todas as principais empresas farmacêuticas usam o software da Schrödinger, que consegue realizar simulações físicas até de átomos. Para cada possível medicamento, a Schrödinger usa abordagens computacionais recentes baseadas na física para calcular até 3 mil possíveis compostos. A tarefa exige 12 mil horas de processamento por GPUs em computadores de alto desempenho.
Finalizados os cálculos baseados na física do conjunto original de compostos selecionados aleatoriamente, aplica-se uma camada de aprendizagem ativa, que faz projeções sobre a provável eficácia de bilhões de moléculas.
Lorton afirmou que, atualmente, são necessárias quatro ou cinco versões para chegar a um algoritmo de machine learning preciso o suficiente para ser previsível, mas até mesmo essas projeções são sempre verificadas duas vezes com os métodos baseados na física antes de sintetizar as moléculas no laboratório.
A abordagem baseada em software gera resultados muito mais rápidos, mas isso é só uma parte do pacote. Ela também aumenta consideravelmente o escopo de análise, avaliando dados que seres humanos jamais teriam tempo de examinar.
“O mais interessante é a possibilidade de explorar novos espaços”, declarou Lorton. “A intenção não é só baratear a solução, mas também descobrir coisas que não conseguiríamos explorar de outra forma.”
Por isso, o foco das operações da Schrödinger são a modelagem e a simulação, além do uso dos recursos de computação de alto desempenho mais atuais para ampliar a capacidade de descoberta.
Bayer Comprova o Valor da Plataforma
Um cliente que está usando a tecnologia da Schrödinger é a Bayer AG. O software da Schrödinger ajuda os cientistas da empresa a encontrar possíveis estruturas em diversos projetos de descoberta de medicamentos, contribuindo, assim, para a identificação de candidatos a desenvolvimento clínico.
Recentemente, as empresas concordaram em desenvolver, em conjunto, uma nova plataforma de descoberta de medicamentos para acelerar o processo de estimativa da afinidade de ligação, além de outras propriedades, e da capacidade de sintetização de pequenas moléculas.
A Bayer ainda não pode divulgar os resultados específicos gerados pela plataforma, mas o Dr. Alexander Hillisch, Diretor de Desenho Computacional de Medicamentos, afirmou que ela contribuiu para vários projetos em andamento.
O Dr. Hillisch revelou que a expectativa é de que o software acelere o processo e amplie a capacidade de descoberta de medicamentos da Bayer efetivamente. Por isso, ele acredita que está na hora de as GPUs NVIDIA receberem a devida atenção no setor.
Em um projeto comum de descoberta de medicamentos, a Bayer avalia a afinidade de ligação e outras propriedades das moléculas, como absorção e estabilidade metabólica. Com o software da Schrödinger e as GPUs da NVIDIA, “estamos identificando milhões e até bilhões de compostos virtuais e verificando o espaço químico de modo muito mais abrangente para identificar os principais compostos novos com propriedades favoráveis”, revelou.
O Dr. Hillisch também sugeriu que o setor sentirá o impacto das abordagens holísticas e digitais de descoberta de medicamentos em breve. “Esperamos saber o tamanho do impacto dessa abordagem científica no futuro próximo”, complementou.
A plataforma de desenho de medicamentos também fará parte das ações da Bayer na luta contra a COVID-19. Em 2006, a empresa fundou uma subsidiária dedicada à pesquisa de antivirais, mas recentemente começou a participar de uma iniciativa europeia de pesquisa sobre o coronavírus para ajudar a identificar novos compostos que podem ser usados em futuros tratamentos.
Tarefa Personalizada para GPUs
Considerando o escopo da tarefa da Schrödinger, Lorton deixou claro que os avanços da NVIDIA no desenvolvimento de uma plataforma de computação completa para HPC e AI com desempenho máximo são tão importantes para as conquistas da empresa quanto a cuidadosa pesquisa científica e de algoritmos.
“Era preciso gastar milhares, dezenas de milhares ou, em algum caso bizarro, até centenas de milhares de dólares para sintetizar e identificar a afinidade de ligação de uma molécula”, afirmou. “Podemos fazer isso em uma GPU com poucos dólares gastos em computação.”
Lorton revelou que, se a empresa tivesse começado a realizar um dos cálculos físicos em uma única CPU quando foi fundada em 1990, ela teria chegado hoje às conclusões a que uma única GPU consegue chegar em menos de uma hora.
Mesmo com as diversas inovações em computação acelerada das GPUs NVIDIA, os projetos de detecção da Schrödinger exigem o uso diário de milhares de GPUs NVIDIA T4 e V100 Tensor Core, tanto no local físico quanto no Google Cloud Platform. A empresa espera que esse nível de computação, juntamente com o investimento contínuo em pesquisas fundamentais, mudará a forma como a descoberta de medicamentos é realizada.