Premieră mondială în genetică: oamenii de știință au încărcat un genom complet într-un computer cuantic

O echipă internațională de cercetători a reușit, pentru prima dată, să încarce un genom complet într-un computer cuantic. Este vorba despre genomul virusului hepatitei D, un agent patogen cu o structură relativ compactă, dar cu o importanță medicală majoră prin severitatea infecțiilor hepatice pe care le poate provoca.

Reușita marchează un pas timpuriu, dar important, spre folosirea calculatoarelor cuantice în biologie și medicină. În viitor, astfel de sisteme ar putea ajuta la analizarea mai rapidă a variațiilor genetice, la urmărirea bolilor infecțioase și la identificarea mutațiilor asociate unor afecțiuni rare sau greu de diagnosticat.

Proiectul a reunit cercetători de la Wellcome Sanger Institute, Universitatea Oxford, Universitatea Cambridge, Universitatea Melbourne și Kyiv Academic University. Genomul a fost încărcat pe un computer cuantic IBM echipat cu procesorul Heron, care are 156 de qubiți, unitățile de bază de informație ale unui astfel de sistem.

Ce înseamnă, de fapt, încărcarea unui genom într-un computer cuantic

Expresia poate suna ca și cum oamenii de știință ar fi introdus pur și simplu o secvență ADN într-un aparat și ar fi primit instant răspunsuri despre boli. În realitate, procesul este mult mai complex. Cercetătorii au trebuit să transforme informația genetică într-un format pe care un computer cuantic îl poate procesa prin circuite cuantice.

Vezi și:

Primul român mușcat de peștele-iepure în Grecia. Cum arată rana și ce spune după incident: „Îl văd cum sare ca ars”

ADN-ul este alcătuit din secvențe uriașe de litere chimice, reprezentate prin A, C, G și T. Pentru ca un computer cuantic să lucreze cu aceste date, secvențele trebuie codificate folosind algoritmi special construiți pentru qubiți. Aceștia nu funcționează precum biții clasici, care pot avea doar valoarea 0 sau 1, ci pot exista în stări cuantice mai complexe.

Practic, echipa nu a „rulat” încă un proces complet de analiză genomică la nivelul la care o fac supercomputerele sau infrastructurile moderne de inteligență artificială. A demonstrat însă că date genetice reale pot fi reprezentate și manipulate într-un sistem cuantic. Este o diferență esențială: momentul reprezintă începutul unui drum, nu sosirea la o tehnologie gata să schimbe medicina de mâine.

Virusul hepatitei D a fost ales tocmai pentru că are un genom mic, suficient de compact pentru a putea fi folosit într-un experiment de acest tip. În același timp, este relevant din punct de vedere clinic. Hepatita D poate provoca o boală gravă a ficatului și se transmite prin contact cu sânge infectat, material seminal sau alte fluide corporale.

Vezi și:

România intră în era calculului cuantic. La Iași va fi instalat unul dintre cele mai avansate sisteme IBM din Europa

AI-ul antrenat pe computer cuantic a trecut un test pe care modelul obișnuit l-a ratat: descoperirea care poate schimba viitorul inteligenței artificiale

De ce genomurile sunt atât de greu de analizat

Genomica modernă produce cantități uriașe de date. Un genom uman conține aproximativ trei miliarde de perechi de baze, iar cercetătorii nu se mai limitează de mult la compararea unei singure secvențe de referință cu ADN-ul unei persoane.

Una dintre marile provocări actuale este analiza pangenomurilor. Un pangenom reunește secvențe genetice de la numeroși indivizi ai aceleiași specii și oferă o imagine mult mai completă asupra diversității biologice. În loc să existe un singur genom-etalon, oamenii de știință pot observa mai bine diferențele dintre populații, mutațiile rare și porțiunile de ADN care au fost ignorate în analizele tradiționale.

Problema este că, pe măsură ce sunt adăugate mai multe genomuri, complexitatea crește rapid. Datele pot fi imaginare ca o rețea uriașă de drumuri care se intersectează, se despart și se reunesc. Pentru calculatoarele clasice, găsirea celei mai utile rute printr-o astfel de hartă genetică poate deveni extrem de costisitoare din punct de vedere al timpului și al resurselor.

Aici ar putea interveni tehnologia cuantică. Cercetătorii speră că, în anumite tipuri de probleme, algoritmii cuantici vor putea identifica soluții mai eficiente decât metodele clasice. Nu toate sarcinile genomice vor beneficia automat de această abordare, iar avantajul concret trebuie încă demonstrat. Totuși, pangenomurile sunt considerate printre cele mai promițătoare domenii în care calculul cuantic ar putea deveni relevant.

Un posibil ajutor pentru boli rare și epidemii

Ambiția echipei este ca aceste tehnici să nu rămână doar experimente pentru specialiști în fizică și informatică cuantică. Planul este de a transforma rezultatele într-un instrument care să poată fi folosit de cercetători din biologie, medicină și sănătate publică.

Într-un astfel de scenariu, oamenii de știință ar putea încărca date genetice, ar putea alege dacă problema trebuie rezolvată cu metode clasice, cuantice sau hibride și ar primi rezultatele într-un format util pentru cercetare. Abordarea hibridă este probabil cea mai realistă în perioada următoare, deoarece sistemele cuantice actuale sunt încă limitate de zgomot, erori și capacitatea redusă de a executa calcule foarte lungi.

Beneficiile potențiale sunt semnificative. Analizele genetice mai rapide ar putea contribui la detectarea și monitorizarea agenților patogeni în timpul epidemiilor. În cazul bolilor rare, identificarea exactă a unei mutații responsabile ar putea deveni mai eficientă. În oncologie, comparațiile mai detaliate dintre genomuri ar putea ajuta la înțelegerea modului în care apar și evoluează anumite tipuri de cancer.

Totuși, drumul până la aplicațiile clinice directe este lung. Un genom viral mic nu se compară cu dimensiunea și complexitatea genomului uman, iar trecerea de la un experiment controlat la un instrument folosit în spitale presupune validări riguroase, infrastructură, reguli stricte de securitate a datelor și rezultate reproductibile.

Un „hello world” pentru genomica cuantică

Cercetătorii compară momentul cu un nou „hello world” pentru genetică. În anii 1970, secvențierea primului genom complet a deschis drumul genomicsii moderne. Acum, încărcarea unui genom pe un computer cuantic sugerează că o nouă categorie de instrumente ar putea deveni utilă pentru cercetarea biologică.

Este încă prea devreme pentru promisiuni despre diagnosticare instantă, tratamente personalizate generate de computere cuantice sau rezolvarea tuturor misterelor ADN-ului. Dar progresul are valoare tocmai pentru că arată că datele biologice din lumea reală pot fi adaptate la acest tip de hardware.

Computerele cuantice nu vor înlocui prea curând sistemele clasice sau inteligența artificială folosită deja în biologie. Mai probabil, ele vor deveni o unealtă suplimentară pentru problemele în care metodele existente ajung la limită. Iar genomul virusului hepatitei D ar putea rămâne în istorie drept una dintre primele secvențe care au deschis această ușă.

Câte animale și păsări ai voie să crești în gospodărie. Regulile pe care trebuie să le respecte proprietarii de la oraș și de la sat