Genoma de vírus é carregado em computador quântico pela 1ª vez
Cientistas disseram ter enviado um genoma real para um computador quântico pela primeira vez, em um avanço considerado importante para a aplicação dessa tecnologia emergente à biologia.
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Os pesquisadores codificaram o genoma completo do vírus da hepatite D (HDV) em um sistema movido pela unidade de processamento quântico Heron, de 156 qubits, da IBM.
O feito ocorreu durante o desafio Quantum for Bio (Q4Bio), um programa internacional competitivo de pesquisa criado para acelerar aplicações da computação quântica na saúde humana. O objetivo era demonstrar que computadores quânticos poderiam lidar com dados genômicos reais em um formato que as máquinas realmente conseguissem processar.
Genoma viral traduzido para um computador quântico pela primeira vez
- Um genoma é armazenado naturalmente como uma longa sequência de letras — A, C, G e T/U — enquanto um computador quântico opera com estados quânticos representados por qubits;
- Copiar as letras do DNA diretamente para qubits não basta: a informação precisa ser transformada em uma representação quântica que possa ser preparada, manipulada e medida pelo hardware;
- Os cientistas do Wellcome Sanger Institute converteram o genoma do HDV em um formato compatível com computação quântica, permitindo que algoritmos quânticos analisassem informação genética, e não apenas problemas teóricos;
- Em nota, eles disseram que miraram especificamente os genomas mais complexos e variáveis — tarefas que podem ultrapassar as capacidades atuais de computadores clássicos, incluindo sistemas de inteligência artificial (IA).
“Quando trabalhamos com pangenomas, a informação é apresentada como um labirinto emaranhado, mas estamos construindo algoritmos quânticos para ajudar a encontrar o melhor caminho por esse labirinto quando ferramentas regulares, como computadores clássicos, simplesmente ficam presos sem saída”, disse Sergii Strelchuk, líder da equipe de pesquisa e professor associado do Departamento de Ciência da Computação da Universidade de Oxford. “Nosso objetivo é uma ideia simples, mas capaz de mudar o jogo: levar a computação quântica ao mundo da genômica.”
Os mesmos pesquisadores já haviam demonstrado quatro capacidades centrais da genômica em hardware quântico real dentro do mesmo projeto Q4Bio. Eles usaram codificação de dados para converter sequências de DNA em um formato compatível com computação quântica.
Uma etapa chamada alinhamento de sequência mapeou fragmentos de DNA a genomas de referência, enquanto um processo chamado montagem de pangenoma construiu genomas a partir do DNA de vários indivíduos. Eles também usaram a construção de árvores filogenéticas para mapear relações evolutivas entre organismos.
A escolha do HDV se deu porque o vírus tem um genoma compacto e relevância clínica. Embora seu RNA assuma estruturas secundárias complexas — em vez de existir como uma sequência linear simples — e mute rapidamente, como muitos vírus de RNA, o HDV tem um dos menores genomas conhecidos entre vírus animais, com cerca de 1,7 mil nucleotídeos de RNA circular.
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O vírus causa infecções hepáticas graves transmitidas pelo sangue, por contato com fluidos corporais infectados, o que o torna um caso de teste ideal por equilibrar complexidade e importância biomédica prática, segundo a equipe.
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O trabalho também mostra que os pangenomas — coleções de sequências genômicas de muitos indivíduos da mesma espécie — são uma área em que a computação quântica realmente pode se destacar. À medida que mais genomas são adicionados a um pangenoma, os recursos computacionais convencionais podem ser sobrecarregados pelo crescimento combinatório da complexidade.
Um pangenoma não é apenas uma coleção de genomas armazenados lado a lado, mas uma estrutura de dados que captura toda a variação genética entre muitos indivíduos, linhagens ou populações. Conforme mais genomas são acrescentados, a quantidade de variação que precisa ser representada, comparada e indexada cresce rapidamente.
Máquinas quânticas podem lidar melhor com essa complexidade computacional porque conseguem representar e processar muitos padrões genéticos possíveis ao mesmo tempo, de um modo que pode tornar algumas tarefas de comparação e busca em larga escala na genômica mais rápidas — ou mais eficientes — do que em computadores tradicionais.
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No futuro, análises genômicas mais rápidas e poderosas podem permitir que cientistas acompanhem doenças infecciosas com maior agilidade, aprimorem a compreensão sobre distúrbios genéticos raros e identifiquem mutações causadoras de doenças, afirmou a equipe.
Colocar o genoma da hepatite D em um computador quântico abre caminho para resolver problemas biológicos que até agora eram impossíveis para os computadores clássicos, disse James McCafferty, diretor de informação do Wellcome Sanger Institute, na nota.
Apesar de o avanço ser promissor, aplicações práticas ainda podem levar anos para se concretizar, disseram Strelchuk e colegas da equipe Q4Bio. O grupo quer transformar essas capacidades em um serviço utilizável, que permita à comunidade científica enviar dados e escolher entre abordagens clássicas ou quânticas — ou ambas — para enfrentar desafios computacionais.
Rodrigo Mozelli
Rodrigo Mozelli é jornalista formado pela Universidade Metodista de São Paulo (UMESP) e, atualmente, é redator do Olhar Digital.
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