在牛津大學(xué)的量子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，一臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)正在模擬藥物分子與蛋白質(zhì)靶點(diǎn)的相互作用。令人驚訝的是，計(jì)算結(jié)果顯示某些關(guān)鍵的能量傳遞過程涉及量子隧穿效應(yīng)——這種現(xiàn)象在傳統(tǒng)藥物設(shè)計(jì)中完全被忽略?！拔覀冋诎l(fā)現(xiàn)生物分子通信的量子語法，”實(shí)驗(yàn)室主任在新一期《自然·化學(xué)》中寫道，“這些量子效應(yīng)可能解釋了為什么某些藥物在極低濃度下仍然有效，而傳統(tǒng)模型無法預(yù)測?！?/p>
從經(jīng)典到量子的范式遷移
量子生物學(xué)醫(yī)藥標(biāo)志著計(jì)算藥物設(shè)計(jì)進(jìn)入全新維度。傳統(tǒng)分子動(dòng)力學(xué)模擬基于經(jīng)典物理學(xué)，忽略了電子和原子核的量子行為。然而，越來越多的證據(jù)表明，光合作用、酶催化、嗅覺感知等生命過程都涉及量子相干、量子糾纏和量子隧穿等效應(yīng)。將這些量子效應(yīng)納入藥物設(shè)計(jì)，可能破解當(dāng)前新藥研發(fā)中靶點(diǎn)選擇性差、藥物效率低等核心難題。
2025年初，拜耳公司與量子計(jì)算公司Quantinuum合作，宣布利用量子算法成功優(yōu)化了一款處于臨床前階段的激酶抑制劑。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果相比，量子計(jì)算預(yù)測的分子結(jié)合能準(zhǔn)確率提高了40%，并且識(shí)別出了經(jīng)典模型中未曾發(fā)現(xiàn)的潛在毒性代謝通路。
技術(shù)路徑的多維突破
該領(lǐng)域的進(jìn)展依賴于三大技術(shù)支柱的融合：
量子計(jì)算硬件的實(shí)用化：新一代含噪中等規(guī)模量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠處理超過100個(gè)量子比特的藥物分子模擬問題，其計(jì)算精度在某些特定問題上開始超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。
量子-經(jīng)典混合算法：研究人員開發(fā)出創(chuàng)新的混合算法，將量子計(jì)算機(jī)擅長處理的電子結(jié)構(gòu)問題與經(jīng)典計(jì)算機(jī)擅長處理的分子構(gòu)象采樣相結(jié)合，大大提高了模擬效率。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)：超快激光光譜技術(shù)、單分子磁共振等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，使得科學(xué)家能夠在飛秒時(shí)間尺度和納米空間尺度上直接觀測生物分子中的量子效應(yīng)，為理論模型提供驗(yàn)證。
治療應(yīng)用的早期突破
在抗生素研發(fā)這一緊迫領(lǐng)域，量子生物學(xué)帶來了新思路。研究人員發(fā)現(xiàn)，某些耐藥菌中的酶利用量子隧穿效應(yīng)加速了對(duì)β-內(nèi)酰胺類抗生素的水解?；谶@一認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)出的新型抗生素通過引入特定的同位素取代（氘代），改變了振動(dòng)頻率，干擾了量子隧穿過程，在動(dòng)物模型中成功逆轉(zhuǎn)了碳青霉烯類耐藥性。
在神經(jīng)系統(tǒng)藥物領(lǐng)域，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)神經(jīng)遞質(zhì)受體在配體識(shí)別過程中存在量子相干效應(yīng)?；谶@一原理設(shè)計(jì)的多巴胺D2受體部分激動(dòng)劑，在精神分裂癥模型中顯示出更平穩(wěn)的療效曲線，顯著降低了傳統(tǒng)抗精神病藥物導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)障礙副作用。
產(chǎn)業(yè)生態(tài)的萌芽與構(gòu)建
量子生物學(xué)醫(yī)藥正處于產(chǎn)業(yè)化的前夜。2024年，全球在該領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)投資達(dá)到28億美元，同比增長350%。除了IBM、谷歌等科技巨頭持續(xù)投入，輝瑞、默克等制藥企業(yè)也紛紛建立了專門的量子計(jì)算合作部門。
更值得關(guān)注的是新興的交叉型初創(chuàng)企業(yè)。如劍橋的QuantumBio公司開發(fā)出首個(gè)商業(yè)化的量子輔助藥物設(shè)計(jì)平臺(tái)，已經(jīng)為12家生物技術(shù)公司提供了服務(wù)。而瑞士的QuEra公司與諾華合作，正在利用中性原子量子計(jì)算機(jī)破解蛋白質(zhì)折疊的動(dòng)力學(xué)難題。
個(gè)性化治療的終極想象
量子生物學(xué)可能為實(shí)現(xiàn)真正個(gè)體化醫(yī)療提供理論基礎(chǔ)。初步研究表明，個(gè)體間蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異會(huì)影響量子效應(yīng)在其功能中的作用程度。未來，通過結(jié)合患者的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)和量子模擬，可能設(shè)計(jì)出完全個(gè)性化的藥物分子，實(shí)現(xiàn)“一人一藥”的精準(zhǔn)匹配。
在癌癥治療領(lǐng)域，研究人員正在探索利用量子效應(yīng)增強(qiáng)光動(dòng)力療法。通過設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生長時(shí)量子相干態(tài)的光敏劑，可以更有效地將光能轉(zhuǎn)化為細(xì)胞毒性活性氧，有望將現(xiàn)有療法的效率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
挑戰(zhàn)與未來地平線
量子生物學(xué)醫(yī)藥面臨的根本挑戰(zhàn)在于理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的深度融合。如何在實(shí)用化的時(shí)間尺度上完成復(fù)雜生物體系的量子模擬，如何建立可靠的理論模型解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及如何將量子設(shè)計(jì)原則轉(zhuǎn)化為可合成的藥物分子，都是亟待解決的難題。
然而，該領(lǐng)域展現(xiàn)的潛力令人無法忽視。業(yè)內(nèi)先驅(qū)預(yù)測，量子生物學(xué)將在未來十年內(nèi)首先在抗生素耐藥性、酶靶點(diǎn)藥物和光動(dòng)力治療等特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性應(yīng)用。到2035年，量子設(shè)計(jì)原則有望成為創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。據(jù)波士頓咨詢集團(tuán)估計(jì)，量子計(jì)算每年可為全球制藥行業(yè)節(jié)省數(shù)十億美元的研發(fā)成本，并將新藥發(fā)現(xiàn)周期縮短20%以上。
這不僅是一場技術(shù)革命，更是對(duì)生命本質(zhì)理解方式的深刻變革。當(dāng)醫(yī)藥行業(yè)開始認(rèn)真考慮量子效應(yīng)在生命過程中的作用時(shí)，我們正站在一個(gè)全新科學(xué)范式的前沿——一個(gè)既古老又嶄新的領(lǐng)域正在為治愈疾病打開前所未有的大門。
