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Il codice genetico è stato tradotto in un formato analizzabile da un computer quantistico. (Credito immagine: Rost-9D tramite Getty Images)
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Gli scienziati affermano di aver caricato per la prima volta un genoma reale su un computer quantistico, segnando un passo importante nell’applicazione della tecnologia emergente alla biologia.
I ricercatori hanno codificato l’intero genoma del virus dell’epatite D (HDV) su un sistema alimentato dall’unità di elaborazione quantistica Heron a 156 qubit di IBM. Questo risultato è stato ottenuto durante la Quantum for Bio (Q4Bio) challenge, un programma di ricerca internazionale competitivo volto ad accelerare le applicazioni del calcolo quantistico per la salute umana. L’obiettivo era dimostrare che i computer quantistici potevano gestire dati genomici del mondo reale in un formato che le macchine potessero effettivamente elaborare.
Un genoma è naturalmente memorizzato come una lunga sequenza di lettere (A, C, G e T/U), mentre un computer quantistico opera con stati quantistici rappresentati da qubit. Copiare semplicemente le lettere del DNA nei qubit non è sufficiente; le informazioni devono essere trasformate in una rappresentazione quantistica che possa essere preparata, manipolata e misurata dall’hardware.
Gli scienziati del Wellcome Sanger Institute hanno convertito il genoma dell’HDV in un formato compatibile con il quantistico, consentendo agli algoritmi quantistici di analizzare informazioni genetiche anziché solo problemi teorici.
Hanno dichiarato in una nota di aver preso di mira specificamente i genomi più complessi e variabili, compiti che possono superare le attuali capacità dei computer classici, inclusi i sistemi di intelligenza artificiale (AI).
Dove il calcolo quantistico e la biologia si intersecano
“Quando lavoriamo con i pangenomi, le informazioni vengono presentate sotto forma di un labirinto aggrovigliato, ma stiamo costruendo algoritmi quantistici per aiutare a trovare il percorso migliore attraverso questo labirinto quando gli strumenti normali, come i computer classici, si bloccano irrimediabilmente”, ha affermato il leader del team di ricerca, Sergii Strelchuk, professore associato presso il Dipartimento di Informatica dell’Università di Oxford.
“Miriamo a un’idea semplice ma che cambia il gioco portando il calcolo quantistico nel mondo della genomica.”
Gli stessi ricercatori hanno già dimostrato quattro capacità genomiche chiave su hardware quantistico reale all’interno dello stesso progetto genomico Q4Bio. Hanno utilizzato la codifica dei dati per convertire sequenze di DNA in un formato compatibile con il quantistico.
Un passaggio chiamato allineamento di sequenze ha mappato frammenti di DNA in genomi di riferimento, mentre un processo chiamato assemblaggio di pangenomi ha costruito genomi da dati di DNA di più individui. Hanno anche utilizzato la costruzione di alberi filogenetici per mappare le relazioni evolutive tra gli organismi.
Gli scienziati hanno scelto l’HDV perché ha un genoma compatto ed è clinicamente rilevante. Sebbene il suo RNA si ripieghi in complesse strutture secondarie, piuttosto che esistere come una semplice sequenza lineare, e muti rapidamente (come molti virus a RNA), l’HDV ha uno dei genomi di virus animali più piccoli conosciuti, circa 1.700 nucleotidi di RNA circolare.
Causa gravi infezioni epatiche trasmesse dal sangue attraverso il contatto con fluidi corporei infetti, rendendolo un caso di studio ideale che bilancia complessità e importanza biomedica pratica, ha affermato il team.
Calcoli sempre più complessi
Il lavoro dimostra anche che i pangenomi, collezioni di sequenze genomiche da molti individui della stessa specie, sono dove il calcolo quantistico brilla davvero. Man mano che più genomi si uniscono a un pangenoma, le risorse di calcolo convenzionali possono essere sopraffatte a causa della crescita combinatoria della complessità.
Un pangenoma non è solo una collezione di genomi memorizzati fianco a fianco, ma una struttura dati che cattura tutta la variazione genetica attraverso molti individui, ceppi o popolazioni. Man mano che vengono aggiunti più genomi, la quantità di variazione che deve essere rappresentata, confrontata e indicizzata cresce rapidamente.
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Le macchine quantistiche potrebbero essere in grado di navigare meglio in questa complessità computazionale perché possono rappresentare ed elaborare molti schemi genetici possibili contemporaneamente in un modo che potrebbe rendere alcuni problemi di confronto e ricerca su larga scala in genomica più veloci (o più efficienti) rispetto ai computer tradizionali.
In futuro, un’analisi genomica più rapida e potente potrebbe consentire agli scienziati di tracciare rapidamente le malattie infettive, migliorare la loro comprensione delle rare malattie genetiche e individuare le mutazioni che causano malattie, ha affermato il team. Caricare il genoma dell’epatite D su un computer quantistico apre la porta alla risoluzione di problemi biologici che sono stati impossibili da affrontare per i computer classici, ha dichiarato James McCafferty, chief information officer del Wellcome Sanger Institute, nella dichiarazione.
Sebbene il risultato sia promettente, le applicazioni pratiche potrebbero essere ancora lontane anni, hanno affermato Strelchuk e i colleghi del team Q4Bio nella dichiarazione. Il team vuole impacchettare queste capacità in un servizio utilizzabile che consentirebbe alla più ampia comunità scientifica di caricare dati e scegliere tra approcci classici o quantistici (o entrambi) per affrontare le sfide computazionali.
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