Cleveland Clinic e IBM relatam simulações de proteínas com até 12.635 átomos
Cleveland Clinic, RIKEN e IBM usaram computadores quânticos e clássicos para simular complexos proteicos com até 12.635 átomos. O trabalho amplia uma simulação anterior do Trp-cage, de 303 átomos, e mostra avanços relevantes em escala e precisão.
Cientistas da Cleveland Clinic, do RIKEN e da IBM usaram computadores quânticos da IBM e dois dos supercomputadores mais poderosos do mundo para simular complexos proteicos com até 12.635 átomos. Essas são as maiores simulações conhecidas de moléculas biologicamente relevantes já realizadas com hardware quântico, e os resultados foram alcançados em parte por um algoritmo inovador que otimiza como computadores quânticos e clássicos podem trabalhar juntos, uma estrutura conhecida como supercomputação centrada no quântico.
Usando essa abordagem, a equipe capturou o comportamento de duas proteínas bioquimicamente relevantes que são cerca de 40 vezes maiores do que o que esse mesmo método conseguia alcançar inicialmente há apenas seis meses. Além disso, a precisão das simulações em uma etapa-chave do fluxo de trabalho melhorou em até 210 vezes no mesmo período.
A decisão de investigar se computadores quânticos poderiam oferecer valor na simulação de complexos proteína-ligante foi motivada pelos desafios enfrentados hoje por pesquisadores ao estudar como um candidato a fármaco poderia se ligar a uma proteína. Esse pode ser um dos problemas mais difíceis e caros na pesquisa em ciências da vida, e um que os métodos computacionais existentes atualmente têm dificuldade de resolver com exatidão à medida que as moléculas aumentam de tamanho.
Neste trabalho, computadores clássicos decompuseram os complexos proteína-ligante em fragmentos computáveis. Os processadores IBM Quantum Heron de 156 qubits da IBM, operando nos computadores quânticos da IBM tanto na Cleveland Clinic, nos Estados Unidos, quanto no RIKEN, no Japão, calcularam o comportamento quântico-mecânico dessas partes em conjunto com o Fugaku, no RIKEN, e o Miyabi-G, operado pela Universidade de Tóquio e pela Universidade de Tsukuba. O cálculo exigiu até 94 qubits executando quase 6.000 operações quânticas em determinadas partes da simulação, e os resultados foram remontados em computadores clássicos para obter uma representação completa da molécula.
Conforme publicado no arXiv, o salto de escala foi possibilitado tanto por inovação algorítmica quanto pelo acesso a infraestrutura computacional de ponta. O novo algoritmo híbrido quântico-clássico, denominado EWF-TrimSQD, reduziu drasticamente a sobrecarga computacional e acelerou a capacidade de representar diretamente a química desses sistemas moleculares em hardware quântico.
A pesquisa inovadora se baseia em trabalho anterior que modelou a molécula de referência de 303 átomos chamada Trp-cage, a primeira simulação completa conhecida centrada no quântico composta por 20 aminoácidos. Nessa demonstração anterior, uma equipe conjunta de pesquisa da Cleveland Clinic e da IBM modelou a miniproteína Trp-cage de 303 átomos usando um fluxo de trabalho de supercomputação centrada no quântico e um IBM Quantum Heron r2. Os pesquisadores modelaram tanto seu estado desenovelado quanto seu estado enovelado.
O fluxo de trabalho do Trp-cage baseou-se em incorporação baseada em função de onda para fragmentar a molécula em partes computacionalmente tratáveis chamadas clusters. Em qualquer proteína, alguns clusters podem ser resolvidos com eficiência usando métodos computacionais clássicos, enquanto clusters maiores mais próximos do núcleo molecular são problemas adequados para computadores quânticos resolverem. Reunidos novamente, os resultados dos cálculos de clusters individuais levam a uma solução completa para a estrutura eletrônica da molécula, que descreve onde seus elétrons estão e como interagem.