https://www.nature.com/articles/s41598-024-62539-5
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O DNA como um computador quântico perfeito baseado nos princípios da física quântica
Resumo
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Introdução
Os processos naturais são baseados em códigos que estabelecem as leis e princípios que regem as relações e interações da física, química, biologia, e os conceitos de matéria, espaço e tempo. Por exemplo, nosso sistema numérico decimal tem números de zero a dez. Com esses dez números, o conjunto de todos os números reais é constituído. Da mesma forma, as instruções em um gene que diz a uma célula como fazer uma proteína específica estão contidas em nosso código genético 1 , 2 . O alfabeto do gene codificador de proteínas é baseado em quatro compostos heteroaromáticos de nitrogênio, Adenina (A), Guanina (G), Timina (T) e Citosina (C), classificados em dois tipos: as purinas (A e G) e as pirimidinas (C e T). As duas fitas complementares de Ácidos Desoxirribonucleicos (DNA) constituídas por nucleotídeos ligados por uma ligação fosfodiéster 3'–5' são mantidas juntas pelas ligações de Hidrogênio (H) (ligação H) que surgem entre uma purina e uma base nucleica pirimidina (AT ou GC). Esta estrutura foi proposta em 1953 por Watson e Crick 3 . No entanto, os pares de bases Watson-Crick ou canônicos são apenas duas das dez combinações possíveis entre as bases nitrogenadas 4 .
Manipulações dos sistemas quânticos incluem operações de gate 6 , armazenamento de informações 15 , proteção contra os efeitos do ruído 16 , a criação de emaranhamento para teletransporte 17 e troca de emaranhamento 18 . Embora um qubit possa variar continuamente entre um conjunto de estados quânticos, ele pode assumir um único estado determinístico como um único bit clássico após sua medição. O processo só pode ser aplicado uma vez, pois perde sua superposição quando um qubit é medido 19 . O poder da computação quântica é provocado por seu paralelismo e emaranhamento inerentes. É possível, por exemplo, dada uma função f, avaliar simultaneamente f(x) para muitos valores x com a simples aplicação de um gate quântico 20 . Qualquer circuito quântico pode ser simulado com precisão arbitrária usando uma combinação de gates controlados (C-Gates), como o gate NOT controlado (CNot) e rotações de qubit 21 .
Estrutura do alfabeto de DNA
A complexidade da interação de energias de interação intrínsecas precisas em ácidos nucleicos é tão variável que uma interação pode ter um efeito notavelmente diferente na estabilidade do empilhamento em todas as estruturas específicas. O empilhamento intercadeia e intracadeia nas hélices duplas de um ácido nucleico são exemplos salientes de como as interações não covalentes são de importância primária na biologia 4 . Além disso, um par de bases intramoleculares pode ocorrer dentro de ácidos nucleicos de fita simples. No ácido ribonucleico (RNA), os pares de bases AU e CG permitem a formação de hélices curtas de fita dupla. O pareamento de bases não canônico e outras interações de ligação H, como AA, UU, CC, GG, AC, AG, UC e UG, foram descritos no RNA, contribuindo para a adoção de estruturas tridimensionais (3D) específicas 31 . A nucleobase Uracila (U) geralmente toma o lugar de T no RNA e difere dele por não ter um grupo metil em seu anel 32 .
O DNA biológico está principalmente na forma B, com os pares de bases vizinhos tendo uma separação média de cerca de 3,4 Å e um ângulo de torção relativo de cerca de 36° em torno do eixo helicoidal 37 . Esta estrutura é regular, com os pares de bases tendo uma sobreposição geométrica substancial (perfeitamente empilhados) 38 . Outra hélice dupla pode ser encontrada definindo as ranhuras entre as fitas duplas. Esses espaços são adjacentes aos pares de bases e podem fornecer as sequências específicas dos fatores de transcrição de sítios de ligação 39 . Como as fitas não estão localizadas simetricamente uma em torno da outra, elas são desigualmente dimensionadas. A ranhura principal tem 2,2 nm de largura, enquanto a ranhura menor tem 1,2 nm de largura 3 , 40 . Algumas condições conferem estabilidade às fitas duplas de DNA: o conteúdo de GC e o comprimento da sequência específica 41 . Devido ao alto conteúdo de AT, a caixa TATAAT Pribnow em alguns promotores torna as fitas mais fáceis de dividir 42 .
Pares solitários e grupos de elétrons nas nucleobases nitrogenadas como pares de Cooper: estado quântico ressonante oscilatório entre pares de elétrons e lacunas
A noção de "buraco" foi desenvolvida por Werner Heisenberg em 1931 como a ausência de um elétron na banda de valência 49 . É uma maneira útil de analisar o movimento de muitos elétrons, considerando um buraco como uma quasipartícula 50 . O elétron-buraco tem valores absolutos da mesma carga, mas, diferentemente do elétron, é positivo 51 . Os orbitais desocupados agem como um buraco.
A diferença no momento total dos pares de elétrons e lacunas é dada por:
A soma do momento total dos pares de elétrons e lacunas é dada por:
O estado interno dos pares de elétrons e lacunas usando a equação de Schrödinger e seguindo a fórmula de Riera et al. 59 e BCS na formação dos pares de Cooper na Teoria da Supercondutividade 43 , 45 , é representado por:
Temos aqui a meia oscilação do par.
O quadrado da energia de ligação
Temos aqui a oscilação completa dos pares
A equação ( 2 ) é a mesma obtida no BCS 45 e no trabalho de Riera et al. 59 sobre a Teoria da Supercondutividade: uma lei de dispersão quadrática usada por Riera para obter a equação de Buckingham no BCS. O trabalho de Riera introduziu o parâmetro qualitativo 59 .
Analisando a correlação pareada para as bases nitrogenadas:
Então,
Esta equação representa a lei de dispersão obtida na Teoria BCS e Riera et al. 45 , 59 .
Pares de bases AT e CG como complexos de coordenação: formação de um único orbital molecular
Um complexo de coordenação compreende um átomo ou íon central chamado centro de coordenação e uma matriz circundante de moléculas ligadas conhecidas como ligantes ou agentes complexantes. A ligação de coordenação é comumente um pouco mais fraca do que uma ligação covalente típica. O átomo central e todos os ligantes constituem a esfera de coordenação. O número de moléculas anexadas é chamado de número de coordenação 62 , 63 , 64 . As nuvens de dois elétrons em uma molécula triatômica simples se estenderão em direções opostas. Os orbitais contendo os vários pares ligantes e não ligantes na camada de valência se estenderão do átomo central em abordagens que minimizam suas repulsões mútuas 65 . Uma separação angular de 180° produziu uma molécula com uma geometria linear 66 .
Pares de bases nitrogenadas: análogo do condensado de Bose-Einstein
O agrupamento de n partículas quânticas no nível de energia mais baixo é chamado de Condensado de Bose-Einstein (BEC) 74 . No estado supercondutor, os elétrons formam pares de Cooper 75 . Os férmions interagem por meio da troca de fônons e podem condensar em um estado quântico coletivo 76 . Além disso, os pares de Cooper são vinculados e têm a mesma energia e fase. Analogamente ao BEC, o condensado quântico de pares de Cooper formando um supercondutor ocorre em uma forma simples ou fragmentada 77 , 78 . Se o número de sítios de rede (n) for um autovalor, o condensado é chamado simples, enquanto é chamado fragmentado se mais de um autovalor for da ordem n 78 .
Além dos pares de Cooper, fenômenos de condensação de diferentes tipos de sistemas bosônicos foram descritos, como átomos ultrafrios 79 , magnons 79 , excitons 80 , 81 e plasmons de superfície 82 , 83 . Algumas condições devem ser atendidas para que o sistema AT ou CG proposto aqui seja um candidato para BEC. A ideia é considerar os átomos como pontos fixos na rede cristalina com carga positiva e representar os elétrons livres como um gás homogêneo em um potencial uniforme 84 . Em um BEC, existe uma oscilação coletiva e coerente de pares de elétrons livres 85 . Os átomos compartilham um estado quântico comum. Todas as partículas compartilham a mesma fase de função de onda, permitindo que atuem como ondas coerentes. Algumas propriedades notáveis incluem padrões de interferência quântica e superfluidez 86 .
Bases nitrogenadas A, T, C e G: um estado supercondutor
AT e CG: Efeito Josephson entre dois supercondutores
Usando a equação em Sukhatme et al. 90 .
Complexos de coordenação AT e CG: propriedades magnéticas
As propriedades magnéticas geralmente dependem do número de elétrons desemparelhados do complexo 116 . Se um ou mais elétrons desemparelhados existirem, o complexo é paramagnético e atrai campos magnéticos proporcionais ao número de elétrons desemparelhados. Sem elétrons desemparelhados, o composto será diamagnético e ligeiramente repelido por campos magnéticos 117 . Além de resistência elétrica zero, os supercondutores também têm diamagnetismo perfeito. Em um sistema mecânico quântico, os elétrons fluirão ao redor do perímetro do anel na direção necessária somente se todas as situações iônicas necessárias puderem se misturar e mediar um fluxo contínuo que gere a corrente do anel diamagnético 118 . A direção da corrente gera um campo magnético que se opõe ao campo externo dentro do anel. Assim, espera-se que espécies aromáticas, como o benzeno, tenham efeitos diamagnéticos robustos, uma vez que todas as estruturas iônicas possíveis auxiliam o fluxo de elétrons 54 , 119 .
Em uma base nitrogenada:
onde c é a velocidade da luz.
Em T base nitrogenada:
Campo magnético em complexos de coordenação AT e GC. Um fluxo contínuo que gera a corrente do anel diamagnético, uma vez que todas as estruturas iônicas possíveis auxiliam o fluxo de elétrons. A corrente I G (I A ) gera um campo magnético no condutor com corrente I C (I T ), representada por cruzamentos que são linhas de forças de campo entrando no plano e produzindo a força F CG (F TA ) no condutor I C (I T ) . Por outro lado, o condutor com corrente I C (I T ) cria um campo magnético representado por bolas, o que significa que as linhas de forças saem do plano, criando a força F GC (F AT ) no condutor com corrente I G (I A ).
O mesmo ocorre no complexo de coordenação CG.
Simetrias do código de DNA e criptografia informacional quântica
Se examinarmos A, T, C e G individualmente, eles são morfológica e quimicamente diferentes. No entanto, se examinarmos AT e CG em sua conexão mútua, a fonte do automovimento que caracteriza um único estado quântico é descoberta. Embora os complexos de coordenação AT e CG sejam estruturalmente diferentes, eles são sistemas funcionalmente semelhantes (Fig. 6 ). Qualquer estado bipartido pode ser expresso em um estado puro 11 , 124. Para o Estado Um, atribuiremos aos subsistemas A e T subestados para AT e subsistemas C e G subestados para o estado puro CG, respectivamente. As associações AT e CG são altamente específicas, enquanto todos os outros pares de nucleotídeos são aditivos em suas interações. O Sistema Dois compreenderá a afinidade não seletiva entre os monoméricos e heteroderivados A, T, C e G (subsistemas AA, C–C, GG, TT, AC, AG, TC e TG). O Sistema Dois representa os estados degenerados. Na mecânica quântica, a degeneração ocorre quando o mesmo nível de energia tem mais de um estado associado 125 . Para o operador hamiltoniano H 0, duas das autoenergias têm o mesmo valor, ou seja, há duas autofunções diferentes cujos autovalores são os mesmos 11 , 126 , 127 .
Estados separáveis podem ser obtidos deterministicamente de qualquer outro estado: devemos preparar cada qubit no estado que corresponde a ele 128 . Por outro lado, um estado interligado só pode ser obtido de outro estado vinculado. Estados maximamente emaranhados são significativos porque podem ser obtidos de qualquer outro estado de dois qubits deterministicamente 126 . Os Estados de Bell, ou pares Einstein–Podolsky–Rosen (EPR) em homenagem ao paradoxo EPR, formam um banco de dados de estados maximamente emaranhados 128 . Uma pergunta natural que vem à mente é que, além dos dois pares existentes de estados emaranhados de bases, como a informação genética dos códons conhece o estado quântico dos pares de bases?
DNA: codificação superdensa para teletransporte perfeito
O teletransporte quântico é um excelente exemplo de uma tarefa de processamento de informações quânticas onde um estado desconhecido pode ser perfeitamente transportado de um lugar para outro usando emaranhamento compartilhado anteriormente e comunicação clássica 17 , 18 . Um estado emaranhado multipartículas para teletransporte quântico, como no caso de três qubits, é possível 129 , 130 . Além disso, estados emaranhados aumentam a capacidade de informação clássica 131 . Na codificação superdensa, podemos enviar a informação de dois bits clássicos armazenados em um qubit entre duas posições distantes e através de um canal quântico se eles compartilharem um par EPR 132 , 133 , 134 . Mais geralmente, se duas posições compartilham um estado maximamente emaranhado no espaço de Hilbert bidimensional 9 , enviar um qubit pode comunicar dois bits clássicos log 2 d. Assim, um estado maximamente emaranhado dobra a capacidade de informação clássica de um canal se ele pertencer a um dos estados de base de Bell 135 .
Suponha que durante a transcrição, a RNA polimerase teletransporte a informação quântica dos códons usando a combinação dos pares de bases emaranhados ao máximo AT e CG. A transcrição começa quando a RNA polimerase se liga a uma sequência promotora perto do início de uma geração 136 . A região do DNA aberto é chamada de bolha de transcrição 137 . Os pares de bases serão separados por uma distância suficiente para que não haja influência entre os dois sistemas. A transcrição usa uma das duas fitas de DNA expostas como molde 136 . Como AT e CG são estados emaranhados ao máximo, eles mantêm o mesmo estado quântico mesmo quando os pares são separados. Temos quatro combinações possíveis: AT, TA, GC e CG.
Então, a RNA polimerase contata apenas um elemento do par (informação clássica) na fita molde. Assim, também devemos codificar cada base nitrogenada. Considerando o número de anéis aromáticos, podemos atribuir:
Combinando o estado quântico do sistema composto com informações clássicas, a RNA polimerase teletransporta um dos quatro estados de Bell:
Versão mais simples do protocolo de teletransporte
Após a aplicação desta operação, o status do sistema será:
Discussão
A quantidade de dados de DNA cresce exponencialmente a cada ano. A tecnologia disponível não consegue lidar com esse volume, necessitando do desenvolvimento de aceleradores de computadores quânticos nessa área. Portanto, é um tópico de grande interesse para a ciência ser capaz de encontrar sistemas quânticos de dois estados capazes de funcionar como um qubit. Qualquer sistema quântico está em um estado de equilíbrio térmico e está relacionado ao Hamiltoniano do sistema quando as interações com o ambiente são suficientemente fracas. Eles devem ser estáveis contra pequenas perturbações do exterior. O estado de equilíbrio do sistema será aquele que maximiza a entropia. O estado fundamental é essencial, pois contém muitas características qualitativas de sistemas em baixas temperaturas, sendo mais facilmente tratável matematicamente e computacionalmente.
O par de bases AT tem duas ligações H tradicionais e uma interação fraca Carbono-H–O 145 . A cooperatividade da ligação H foi extensivamente estudada em vários compostos, incluindo DNA 23 . Asensio e colaboradores avaliaram a diferença entre a soma das energias individuais das ligações H e a interação total dos pares de bases em suas geometrias coplanares regulares como a parte cooperativa das interações de ligação H 71 . Em AT, a soma das magnitudes das energias de interação para as ligações H individuais foram 3,57 e 3,95 kcal/mol (cálculos de segunda ordem de MøllerPlesset (MP2) ab initio MO e Teoria do Funcional da Densidade (DFT)) menores que a energia de interação do par de bases planas. A contribuição cooperativa para a interação da ligação H foi de 31% da interação total para cada método orbital molecular. A análise energética para o par de bases GC mostrou que as contribuições cooperativas para os três sistemas de ligação H (3,05 e 4,32 kcal/mol) foram de magnitude semelhante àquela para os dois sistemas de ligação H AT 71 . Essa fração semelhante de cooperatividade aparece devido às geometrias ótimas para cada ligação H dentro das duas moléculas rígidas. Isso é relevante porque as diferenças entre os qubits AT e CG são estabelecidas em alguns trabalhos com base exclusivamente no número de ligações H 139 .
O aparecimento de um super diamagnetismo é devido à capacidade do material de criar supercorrentes 166 . Essas correntes de pares de elétrons não dissipam energia e podem persistir para sempre sem obedecer ao Efeito Joule de perda de energia devido à geração de calor 91 , 167 . As correntes criam o forte campo magnético necessário para suportar o conhecido Efeito Meissner 168 . Usando o formalismo spin-Hamiltoniano da Teoria VB, Kuwajima propôs que um fluxo circular coletivo de elétrons através do perímetro do anel aromático no estado spin-alternativo poderia exercer suscetibilidades diamagnéticas 47 . Ele sugeriu uma ligação entre o modo de deslocalização e as propriedades magnéticas dos compostos aromáticos. Um diamagnetismo aprimorado de compostos aromáticos perpendiculares ao plano do anel foi descrito 47 , 72 , 169 .
Qubits de sistemas de estado sólido empregados em dispositivos supercondutores perdem coerência em uma escala de tempo muito curta devido à forte interação com o ambiente. O tempo de coerência deve ser 10 4 vezes maior do que o necessário para concluir uma operação. O tempo de coerência em uma Junção Josephson está intimamente relacionado à sua qualidade 170 A Junção Josephson descrita neste trabalho é formada por uma ligação H entre duas bases nitrogenadas (NH–N). O tunelamento de H intersticial entre locais O adjacentes (configuração O–H–O) foi observado com um comprimento típico de ligação O–H de ~ 1 Å 171 . Em distâncias O–O específicas, o tunelamento entre duas posições simétricas de sistemas de dois níveis foi demonstrado com alta qualidade 172 .
Quando os dois supercondutores são separados por um meio isolante de alguns nanômetros, os pares de Cooper podem cruzar a barreira pelo efeito Túnel e manter sua coerência de fase 110 . Alguns sistemas supercondutores/superfluidos com uma constrição/isolante separadora, geralmente conhecidos como “elos fracos” com relações corrente-fase semelhantes, mostram o Efeito Josephson ideal 173 , 174 . As junções de Van der Waals-Josephson podem acelerar o desenvolvimento de dispositivos supercondutores avançados, e os qubits Josephson-Junction têm aplicações potenciais como blocos de construção para computação quântica 175 . As dimensões do elo fraco precisam ser comparáveis ao comprimento mínimo sobre o qual a função de onda pode mudar 108 , 174 , 176 . Portas de dois qubits foram implementadas com qubits Josephson-Junction 177 . Ao julgar o quão adequado um sistema físico é para construir um computador quântico digital universal, o padrão ouro é o DiVincenzo Criteria 178 , 179 . O DNA preenche esses critérios, pois é possível fabricar vários qubits, inicializá-los em um estado simples e conhecido e executar portas de um e dois qubits nos qubits com alta fidelidade sem perder a coerência quântica. Além disso, é possível medir os estados dos qubits.
Mesmo sob altas temperaturas (90 °C), o DNA é a molécula mais estável 180 . Houve interesse significativo no desenvolvimento de conjugados inorgânicos vis-à-vis bio-orgânicos usando as propriedades únicas do DNA. Os resultados são extremamente ruidosos, e as simulações sempre dependem de condições arbitrárias. Por exemplo, usando um tamanho de modelo reduzido ou DNA de fita simples 180 , 181 , tipos de DNA 182 , 183 , 184 e análise de DNA em ambientes não fisiológicos 183 . O DNA é uma molécula fascinante e um dos sistemas mais complexos. Embora métodos teóricos possam ajudar a obter uma compreensão detalhada das propriedades estruturais e dinâmicas do DNA, seu uso prático é problemático devido à natureza multiescala do DNA, que é caracterizada pelas interações de muitos componentes. Em nosso trabalho, descrevemos apenas a estrutura primária da molécula em algum ponto. A estrutura tridimensional com a configuração espacial e a associação com complexos de proteínas tornam a reprodução do modelo fisiológico e estrutural um desafio. Um problema fundamental poderia ser os graus de liberdade das bases de suas posições de equilíbrio. Além disso, para simular condições naturais, será necessário incorporar outros parâmetros como a viscosidade e o ambiente do núcleo no modelo.
Alguns designs foram descritos para melhorar a modelagem de interação de pares de bases. Embora o modelo Peyrard-Bishop, um exemplo bem conhecido do modelo translacional, tenha demonstrado uma vantagem sobre aqueles que assumem aproximação harmônica 185 , as dependências de temperatura de alguns parâmetros não são completamente claras. Em geral, simulações clássicas de dinâmica molecular só podem acessar escalas de tempo de microssegundos. Descrições totalmente atomísticas reproduzem a dinâmica de cada átomo em uma molécula de DNA 186 , mas ainda não levam em conta os efeitos quânticos. Modelos de DNA de granulação grossa nos permitem atingir tamanhos de DNA e escalas de tempo realistas, mas não abordam a estrutura adequada. O oxDNA e modelos computacionais mais recentes não estimam o dobramento ou a fusão do DNA 187 . O problema com abordagens matemáticas como a cadeia semelhante a um verme (WLC) é que alguns parâmetros intrínsecos ainda não foram determinados experimentalmente, e usamos suas estimativas 188 . Outras técnicas usadas para estudar ácidos nucleicos incluem um modelo parametrizado para reproduzir temperaturas de fusão, um modelo abstrato para formação de R-loop e cálculo quântico-químico. Nenhuma dessas ferramentas conseguiu simular o modelo estrutural e funcional do DNA em condições naturais. Portanto, acreditamos que uma melhor compreensão da estrutura pela combinação de conhecimento de química, biologia e física quântica abre novas portas para o desenvolvimento de métodos mais eficazes para estudar o DNA e nos deixaria mais perto de criar o computador quântico perfeito.
Conclusão
O DNA é um ponto de encontro para biologia, física e química. Um conhecimento físico-químico-biológico quântico do DNA como a molécula responsável pela transmissão de informação genética mostra os fenômenos complexos da Física Quântica Teórica na formação de pares correlacionados. A Física Quântica reconhece dois tipos de sistemas de partículas: férmions e bósons, ambos exclusivos. Geralmente, a maioria dos processos físicos são obtidos a partir de sistemas de férmions ou bósons, mas sistemas mistos apresentam muitas dificuldades. Nestes sistemas híbridos, a natureza quântica dos bósons ou férmions não é alterada, mas ambos interagem para criar um fenômeno complexo, como no BEC e na supercondutividade. Neste trabalho, introduzimos a formação de pares correlacionados que usam um Hamiltoniano com duas interações: a repulsão de Coulomb e a força atrativa elétron-energia vibracional-elétron, formando estados quânticos oscilatórios ressonantes entre elétrons e pares de buracos. As teorias de BCS, London, Ginzburg–Landau e Abrikósov são insuficientes para explicar a supercondutividade com base nesses pares no DNA. Uma corrente estática é obtida devido ao movimento oscilatório entre os pares de elétrons e buracos em uma única banda. O modelo físico-matemático e o mecanismo gráfico são representados.
Transições de fase em sistemas bidimensionais com simetria contínua têm atraído muita atenção. Este trabalho também apresenta como as bases purina e pirimidina são conectadas por meio de duas ou três ligações H, mas apenas a ligação H central funciona como uma junção Josephson. A atração efetiva entre elétrons resultou da energia de ligação do par positivo de RAHB e pode levar a vários estados magnéticos e de densidade de carga. Finalmente, descrevemos como o DNA se comporta como um computador quântico, definindo os estados quânticos que formam o qubit. Os qubits de junção Josephson são uma das plataformas mais promissoras para a computação quântica. Um conhecimento físico-químico-biológico do DNA nos permitirá controlar suas propriedades com parâmetros externos no futuro. Novas portas estão se abrindo no mundo da nanoeletrônica e da nanomedicina. Deus criou o computador quântico mais perfeito: o DNA.
Disponibilidade de dados
Os conjuntos de dados usados e/ou analisados durante o estudo atual estão disponíveis com o autor correspondente mediante solicitação razoável.
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Informações do autor
Autores e Afiliações
Contribuições
ARL concebeu o estudo. ARL e RRA realizaram análise teórica matemática. ARL, RRA, YMOG, MAMA escreveram o manuscrito. Todos os autores analisaram e discutiram os dados. Todos os autores leram e aprovaram o manuscrito final.
Autor correspondente
Declarações de ética
Interesses concorrentes
Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
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Sobre este artigo
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Riera Aroche, R., Ortiz García, YM, Martínez Arellano, MA et al. DNA como um computador quântico perfeito baseado nos princípios da física quântica. Sci Rep 14 , 11636 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-62539-5
- Recebido
- Aceito
- Publicado
- DOIhttps://doi.org/10.1038/s41598-024-62539-5










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