Genoma completo carregado num computador quântico pela primeira vez

O genoma humano tem 3,2 mil milhões de bases de ADN. O do vírus da Hepatite D tem 1700. Foi com este último que uma equipa internacional de investigadores conseguiu um feito inédito: carregar pela primeira vez um genoma completo num computador quântico. E não foi apenas um exercício de demonstração — é o primeiro passo para usar a mecânica quântica para ler e interpretar a própria linguagem da vida.

A equipa, liderada pelo Wellcome Sanger Institute e pela Universidade de Oxford, em colaboração com Cambridge, Melbourne e a Universidade Académica de Kiev, usou o processador Heron de 156 qubits da IBM para codificar o genoma completo do vírus da Hepatite D (HDV). O genoma do HDV é o mais pequeno entre os vírus humanos que causam doença — cerca de 1700 bases de ARN, contra as 5386 do bacterófago ΦX174 (o primeiro organismo a ter o ADN totalmente sequenciado, em 1977), que era o alvo inicial da equipa, mas precisava de 387 qubits — mais do que o processador disponibilizava.

Como se Carrega um Genoma num Computador Quântico?

Um genoma é uma longa sequência de letras (A, C, G, T/U). Um computador quântico trabalha com estados quânticos representados por qubits. Copiar letras para qubits não chega — é preciso transformar a informação genética numa representação quântica que possa ser preparada, manipulada e medida pelo hardware. A equipa desenvolveu métodos eficientes para criar circuitos quânticos que codificam bio-sequências, usando algoritmos de compressão que encaixaram as 1700 bases do HDV em apenas 117 qubits.

In the 1970s, by sequencing the first complete DNA genome, Fred Sanger and his team marked a 'hello world' moment for classical genomics. Nearly fifty years later, the Oxford–Sanger team is laying the groundwork for a new 'hello world' moment by encoding and loading a complete genome into a computer — only this time, a quantum one.

— Dr. Shihan Sajeed, Q4Bio Programme Director, Wellcome Leap

Porque é Que Isto Importa

A análise de genomas é um dos problemas computacionais mais difíceis da atualidade. Os chamados «pangenomas» — coleções de genomas de muitos indivíduos da mesma espécie, que capturam a diversidade genética de populações inteiras — crescem em complexidade de forma explosiva à medida que mais genomas são adicionados. Os computadores clássicos, mesmo com IA, começam a ter dificuldades. Um computador quântico, que explora fenómenos como a sobreposição e o emaranhamento, pode processar este tipo de dados de forma radicalmente diferente.

O objetivo a longo prazo é poder rastrear doenças infecciosas em tempo real, identificar mutações causadoras de doença com muito mais precisão, e compreender doenças genéticas raras que hoje levam anos a diagnosticar. Como disse o Dr. Sergii Strelchuk, professor associado na Universidade de Oxford: «Um pangenoma é uma forma de labirinto complexo, mas estamos a construir algoritmos quânticos para ajudar a encontrar o melhor caminho através deste labirinto, quando as ferramentas clássicas ficam irremediavelmente presas.»

O Próximo Passo

A equipa quer transformar esta prova de conceito numa ferramenta prática para a comunidade científica. O objetivo é criar um serviço onde qualquer investigador possa carregar dados genómicos, escolher entre uma abordagem clássica, quântica, ou híbrida, e receber os resultados. «Estamos no início da jornada», disse James McCafferty, diretor de informática do Wellcome Sanger Institute. «Mas é um início histórico.»

Há 50 anos, sequenciámos o primeiro genoma. Hoje, pusemos um genoma num computador quântico. O próximo passo é fazê-lo funcionar — e quando isso acontecer, a biologia computacional nunca mais será a mesma.

Feito por humanos — Portugal Binário