ДНК встречает кубиты: ученые впервые загрузили настоящий геном в квантовый компьютер
Ученые объявили о том, что им впервые удалось загрузить реальный геном в квантовый компьютер — и это важнейший шаг на пути применения прорывной технологии в биологии. Исследователи закодировали полный геном вируса гепатита D на системе, работающей под управлением 156-кубитного квантового процессора IBM Heron. Достижение состоялось в рамках программы Quantum for Bio — конкурсной международной исследовательской инициативы, призванной ускорить внедрение квантовых вычислений в здравоохранение. Целью было доказать: квантовые компьютеры способны оперировать реальными геномными данными в формате, который машины действительно могут обрабатывать.
Дело в том, что геном хранится в виде длинной последовательности букв — A, C, G и T (или U), — тогда как квантовый компьютер работает с квантовыми состояниями, представленными кубитами. Простого копирования этих букв в кубиты недостаточно; информацию необходимо преобразовать в такое квантовое представление, которое аппаратное обеспечение сможет подготовить, изменить и измерить.
Специалисты из Института Сэнгера при фонде Wellcome преобразовали геном вируса гепатита D в квантово-совместимый формат, позволив квантовым алгоритмам анализировать генетическую информацию, а не просто решать очередные абстрактные задачки. Как сообщается в официальном заявлении, ученые намеренно нацелились на самые сложные и вариабельные геномы — на задачи, которые могут выходить за пределы возможностей классических компьютеров и даже систем искусственного интеллекта.
Там, где квантовые вычисления встречаются с биологией
«Когда мы работаем с пангеномами, информация предстает перед нами в виде запутанного лабиринта, — объяснил руководитель исследовательской группы Сергей Стрельчук, доцент факультета компьютерных наук Оксфордского университета. — Обычные инструменты, такие как классические компьютеры, безнадежно застревают в нем, а мы строим квантовые алгоритмы, которые помогут найти оптимальный путь сквозь эти дебри. Мы стремимся к простой, но меняющей правила игры идее: ввести квантовые вычисления в мир геномики».
Та же команда исследователей уже продемонстрировала четыре ключевые геномные операции на реальном квантовом оборудовании в рамках того же проекта Q4Bio. С помощью кодирования данных они преобразовывали последовательности ДНК в квантово-совместимый формат. Затем, на этапе выравнивания последовательностей, сопоставляли фрагменты ДНК с эталонными геномами, а в процессе сборки пангенома конструировали обобщенный геном из генетического материала множества особей. Исследователи также использовали построение филогенетических деревьев для картирования эволюционных связей между организмами.
Выбор пал на вирус гепатита D не случайно: он обладает компактным геномом и при этом клинически значим. Его РНК сворачивается в замысловатые вторичные структуры — перед нами отнюдь не простая линейная последовательность, — и мутирует вирус стремительно, как и многие другие РНК-вирусы. При всем этом у HDV один из самых маленьких известных науке геномов среди животных вирусов: всего около 1700 нуклеотидов кольцевой РНК. Вирус вызывает тяжелые инфекции печени, передающиеся через кровь при контакте с зараженными биологическими жидкостями, что делает его идеальным тестовым полигоном: баланс сложности и практической биомедицинской значимости соблюден безупречно.
Пангеномы: вотчина квантовых машин
Новая работа также демонстрирует, что настоящий звездный час квантовых компьютеров — это пангеномы, то есть коллекции геномных последовательностей множества особей одного вида. По мере того как в пангеном вливаются все новые геномы, классические вычислительные ресурсы могут попросту захлебнуться из-за комбинаторного роста сложности. Пангеном — это не просто набор геномов, аккуратно разложенных по полочкам; это структура данных, которая должна охватывать всю генетическую вариативность множества индивидов, штаммов или целых популяций. С каждым добавленным геномом объем вариаций, которые необходимо представить, сравнить и проиндексировать, лавинообразно возрастает.
Квантовые машины потенциально способны гораздо лучше справляться с этой вычислительной круговертью, потому что они могут представлять и обрабатывать множество возможных генетических паттернов одновременно — такой подход способен сделать некоторые масштабные задачи сравнения и поиска в геномике значительно быстрее и эффективнее, чем на традиционных компьютерах.
В перспективе ускоренный и углубленный геномный анализ позволит ученым молниеносно отслеживать вспышки инфекционных заболеваний, улучшить понимание редких генетических нарушений и точечно выявлять мутации, вызывающие болезни, считают авторы. «Загрузка генома гепатита D на квантовый компьютер открывает дверь к решению биологических проблем, которые для классических компьютеров были попросту неподъемными», — подчеркнул в заявлении Джеймс Маккаферти, директор по информационным технологиям Института Сэнгера.
Впрочем, несмотря на весь оптимизм, до практического применения этих технологий в клинике, по признанию Стрельчука и его коллег по Q4Bio, могут пройти еще годы. Сейчас команда работает над тем, чтобы упаковать все наработанные возможности в удобный сервис, доступный широкому научному сообществу: ученый сможет загрузить свои данные и выбрать между классическим, квантовым или гибридным подходом для решения стоящих перед ним вычислительных задач. И если все пойдет по плану, лабиринт генетического кода, который еще вчера казался безнадежно запутанным, внезапно обретет четкую карту.
