Un algoritmo quantistico per studiare le trasformazioni delle proteine

Grazie alle eccezionali prestazioni che sembrano destinati a raggiungere, legate alle proprietà indeterministiche della materia su scala subatomica, i computer quantistici potrebbero diventare gli strumenti chiave per la comprensione dei complessi processi dinamici alla base del funzionamento delle proteine, le molecole che presiedono alla quasi totalità delle reazioni biochimiche essenziali per la vita. E’ quanto afferma uno studio condotto da tre fisici teorici dell’Università di Trento apparso ieri su Physical Review Letters, che mostra la validità e le potenzialità di un approccio fondato sull’utilizzo del calcolo quantistico nel simulare i cambiamenti strutturali a cui sono sottoposte le proteine nel corso delle loro vite, trasformazioni biologiche estremamente rilevanti da cui dipende la sintesi e l’attivazione di queste ultime. Un risultato che sottolinea ancora una volta i grandi vantaggi che potranno derivare dal pieno sviluppo delle tecnologie quantistiche, un settore che vede l’INFN impegnato in prima linea.

La formazione (processo di ripiegamento) o l’espletazione delle funzioni biologiche delle proteine, che si compongono di catene di amminoacidi, è regolato da specifici cambiamenti della loro forma. Analizzare in maniera puntuale e riuscire a prevede le variazioni strutturali di queste biomolecole risulta perciò un passaggio fondamentale per sviluppare cure mediche avanzate per vecchie e nuove malattie: da quelle più studiate, come cancro e malattie degenerative, a quelle emergenti (Covid-19), fino alle malattie rare. A tal fine, è oggi possibile, attraverso tecniche di microspia elettronica, effettuare in molti casi esperimenti che forniscono delle vere e proprie “fotografie” delle proteine con un livello di dettaglio atomico, ma solo quando queste si trovano nella forma stabile e biologicamente attiva. Una limitazione che rende in buona parte ancora ignote le dinamiche legate al loro comportamento.

Tuttavia, negli ultimi decenni, sono stati fatti enormi passi avanti nella caratterizzazione dei processi che coinvolgono le trasformazioni delle proteine e, più in generale, delle macromolecole biologiche, facendo ricorso a simulazioni al calcolatore. Un ambito di ricerca che potrà avvantaggiarsi delle enormi capacità dei computer quantistici, fornendo osservazioni ancora più precise e complete, come dimostra lo studio pubblicato su Physical Review Letters, in cui viene proposto nuovo un metodo di calcolo sviluppato per determinare i cambiamenti di forma e di traiettoria delle proteine. «Per la prima volta – spiega Pietro Faccioli, uno degli autori dell’articolo e affiliato dell’INFN – mostriamo come i computer quantistici possono essere utilizzati per comprendere con livello di dettaglio atomistico il funzionamento delle biomolecole. Il nostro contributo è stato riformulare il problema matematico alla base delle predizioni dei cambiamenti di struttura come un problema di ottimizzazione. I computer quantistici sono infatti particolarmente indicati per risolvere i problemi di ottimizzazione perché sfruttano un affascinante fenomeno noto come delocalizzazione quantistica, che compare solo nel mondo microscopico.”

I campi di applicazione non mancano. Individuare, ad esempio, i meccanismi di alcune proteine responsabili di processi neurodegenerativi può aiutare ad arginarne la proliferazione. Comprendere in che modo una proteina assume una determinata forma o corre nel corpo umano può aprire spiragli per utilizzare le nanomacchine già predisposte dalla natura per tagliare, correggere, bloccare geni difettosi o danneggiati.

Oltre all’impegno dei singoli ricercatori dell’istituto, l’INFN sta fornendo un importante contributo in molte delle attività implicate nei tentativi di rendere finalmente disponibili i computer quantistici e la loro annunciata supremazia computazionale per le esigenze di ricerca, investendo risorse e collaborando a progetti internazionali come il Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS). Coordinata dal Fermilab di Chicago e finanziata dal Department of Energy (DoE) degli Stati Uniti, l’iniziativa, di cui l’INFN è l’unico partner non statunitense, mira a ottenere significativi progressi nell’ambito dell’informatica quantistica.  

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