Cientistas usam computador quântico para processar genoma de vírus

Computador quântico – Um grupo de cientistas conseguiu carregar, pela primeira vez, o genoma completo de um vírus real em um computador quântico, em um avanço considerado relevante para aproximar a computação quântica das aplicações práticas em biologia e saúde. O experimento foi realizado durante o Quantum for Bio (Q4Bio), programa internacional competitivo de pesquisa criado para acelerar aplicações da computação quântica na saúde humana.

Os pesquisadores utilizaram a unidade de processamento quântico Heron, de 156 qubits, da IBM, para codificar o genoma completo do vírus da hepatite D (HDV). A iniciativa teve como objetivo demonstrar que computadores quânticos podem trabalhar com dados genômicos reais em um formato compatível com o funcionamento dessas máquinas.

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O desafio envolveu uma etapa fundamental: transformar a linguagem genética em informação processável por sistemas quânticos. Enquanto os genomas são naturalmente armazenados como longas sequências das letras A, C, G e T/U, os computadores quânticos operam com estados representados por qubits. Por isso, não basta transferir diretamente as sequências de DNA para o hardware; é necessário converter essas informações para uma representação quântica adequada para preparação, manipulação e medição.

A equipe do Wellcome Sanger Institute desenvolveu um método para traduzir o genoma do HDV para um formato compatível com computação quântica. Segundo os pesquisadores, isso permitiu que algoritmos quânticos analisassem informação genética real, indo além de aplicações puramente teóricas.

Em nota, os cientistas afirmaram que concentraram esforços em genomas particularmente complexos e variáveis, tipos de problemas que podem superar a capacidade dos computadores clássicos atuais, incluindo sistemas de inteligência artificial.

“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.”

O experimento faz parte de uma série de avanços já demonstrados pelos pesquisadores dentro do projeto Q4Bio. Anteriormente, a equipe havia mostrado quatro capacidades centrais da genômica em hardware quântico real. Entre elas estão a codificação de sequências de DNA para formatos compatíveis com computação quântica, o alinhamento de sequências para comparação com genomas de referência, a montagem de pangenomas a partir de dados de múltiplos indivíduos e a construção de árvores filogenéticas para identificar relações evolutivas entre organismos.

A escolha do vírus da hepatite D ocorreu por combinar relevância clínica e características genéticas desafiadoras. Embora possua um genoma relativamente pequeno (cerca de 1,7 mil nucleotídeos de RNA circular) o HDV apresenta estruturas secundárias complexas e sofre mutações rapidamente, comportamento comum entre vírus de RNA.

Transmitido pelo sangue e por contato com fluidos corporais infectados, o HDV pode causar infecções hepáticas graves. Segundo os pesquisadores, essas características fazem dele um modelo adequado para testar novas ferramentas computacionais voltadas à biologia.

O estudo também destaca o potencial da computação quântica para trabalhar com pangenomas, estruturas que reúnem sequências genômicas de diversos indivíduos de uma mesma espécie. Diferentemente de uma simples coleção de genomas armazenados lado a lado, os pangenomas representam a diversidade genética de populações inteiras em uma única estrutura de dados.

À medida que novos genomas são adicionados, cresce rapidamente a quantidade de informações que precisam ser representadas, comparadas e indexadas. Esse aumento da complexidade pode sobrecarregar recursos computacionais convencionais, enquanto sistemas quânticos oferecem a possibilidade de representar e processar múltiplos padrões genéticos simultaneamente.

De acordo com a equipe, essa característica pode tornar determinadas tarefas de busca e comparação em larga escala mais rápidas ou mais eficientes do que em computadores tradicionais.

Os pesquisadores afirmam que, no futuro, análises genômicas mais avançadas poderão contribuir para o monitoramento mais ágil de doenças infecciosas, ampliar a compreensão sobre distúrbios genéticos raros e facilitar a identificação de mutações associadas a doenças.

Em nota, James McCafferty, diretor de informação do Wellcome Sanger Institute, afirmou que inserir o genoma da hepatite D em um computador quântico abre caminho para enfrentar problemas biológicos que até agora estavam além do alcance dos computadores clássicos.

Apesar do resultado promissor, Sergii Strelchuk e os demais integrantes do Q4Bio destacam que aplicações práticas ainda podem levar anos para chegar ao uso cotidiano. O próximo passo do grupo é transformar essas capacidades em um serviço acessível à comunidade científica, permitindo que pesquisadores submetam dados e escolham entre abordagens clássicas, quânticas ou híbridas para resolver desafios computacionais complexos.

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(Com informações de Olhar Digital)

(Foto: Reprodução/Magnific/saac1112)