يقول العلماء إنهم قاموا بتحميل جينوم حقيقي على جهاز كمبيوتر كمي لأول مرة، مما يمثل خطوة مهمة في تطبيق التكنولوجيا الناشئة على علم الأحياء.
وقام الباحثون بتشفير الجينوم بأكمله للكائن التهاب الكبد D (HDV) على نظام مدعوم بوحدة المعالجة الكمومية Heron ذات 156 بت من IBM. وجاء هذا الإنجاز خلال تحدي الكم للبيو (Q4Bio).، وهو برنامج بحثي دولي تنافسي مصمم لتسريع تطبيقات الحوسبة الكمومية من أجل صحة الإنسان. كان الهدف هو إثبات أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها التعامل مع البيانات الجينومية في العالم الحقيقي بتنسيق يمكن للآلات معالجته فعليًا.
يتم تخزين الجينوم بشكل طبيعي كسلسلة طويلة من الحروف (A، C، G، وT/U)، في حين يعمل الكمبيوتر الكمي مع الحالات الكمومية التي تمثلها الكيوبتات. إن مجرد نسخ أحرف الحمض النووي إلى كيوبتات ليس كافيًا؛ يجب تحويل المعلومات إلى تمثيل كمي يمكن إعداده ومعالجته وقياسه بواسطة الأجهزة.
قام العلماء في معهد ويلكوم سانجر بتحويل جينوم HDV إلى تنسيق متوافق كميًا، مما يسمح للخوارزميات الكمومية بتحليل المعلومات الجينية بدلاً من مجرد المشكلات النظرية.
قالوا في أ إفادة أنهم استهدفوا على وجه التحديد الجينومات الأكثر تعقيدًا وتغيرًا، وهي المهام التي يمكن أن تتجاوز القدرات الحالية لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي أنظمة (الذكاء الاصطناعي).
حيث تتقاطع الحوسبة الكمومية وعلم الأحياء
قال قائد فريق البحث: “عندما نعمل مع الباجينومات، يتم تقديم المعلومات في شكل متاهة متشابكة، لكننا نبني خوارزميات كمومية للمساعدة في العثور على أفضل مسار عبر هذه المتاهة عندما تتعطل الأدوات العادية، مثل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، بشكل يائس”. سيرجي ستريلشوك، أستاذ مشارك في قسم علوم الكمبيوتر بجامعة أكسفورد.
“نحن نهدف إلى فكرة بسيطة ولكنها ستغير قواعد اللعبة من خلال جلب الحوسبة الكمومية إلى عالم علم الجينوم.”
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
لقد أظهر نفس الباحثين بالفعل أربع قدرات جينومية رئيسية على أجهزة كمومية حقيقية ضمن نفس مشروع الجينوم Q4Bio. واستخدموا تشفير البيانات لتحويل تسلسل الحمض النووي إلى تنسيق كمي متوافق.
قامت خطوة تسمى محاذاة التسلسل بتعيين أجزاء الحمض النووي في جينومات مرجعية، في حين قامت عملية تسمى تجميع البانجينوم ببناء جينومات من بيانات الحمض النووي لعدة أفراد. كما استخدموا أيضًا بناء شجرة النشوء والتطور لرسم خريطة للعلاقات التطورية بين الكائنات الحية.
اختار العلماء فيروس HDV لأنه يحتوي على جينوم مدمج وله أهمية سريرية. على الرغم من أن الحمض النووي الريبوزي (RNA) الخاص به يطوي إلى هياكل ثانوية معقدة – بدلاً من وجوده كتسلسل خطي بسيط – ويتحول بسرعة (مثل العديد من فيروسات الحمض النووي الريبي)، إلا أن فيروس HDV يمتلك واحدًا من أصغر جينومات الفيروسات الحيوانية المعروفة – ما يقرب من 1700 نيوكليوتيدات من الحمض النووي الريبي (RNA) الدائري.
وقال الفريق إنه يسبب التهابات الكبد الشديدة المنقولة بالدم من خلال ملامسة سوائل الجسم المصابة، مما يجعله حالة اختبار مثالية توازن بين التعقيد والأهمية الطبية الحيوية العملية.
حسابات معقدة على نحو متزايد
يوضح العمل أيضًا أن الباجينومات – وهي مجموعات من تسلسلات الجينوم من العديد من الأفراد من نفس النوع – هي المكان الذي تتألق فيه الحوسبة الكمومية حقًا. مع انضمام المزيد من الجينومات إلى الباجينوم، يمكن أن تطغى موارد الحوسبة التقليدية بسبب النمو التوافقي في التعقيد.
إن الباجينوم ليس مجرد مجموعة من الجينومات المخزنة جنبًا إلى جنب، بل هو بنية بيانات تلتقط كل التنوع الجيني عبر العديد من الأفراد أو السلالات أو المجموعات السكانية. ومع إضافة المزيد من الجينومات، فإن مقدار التباين الذي يجب تمثيله ومقارنته وفهرسته ينمو بسرعة.
قد تكون الآلات الكمومية أكثر قدرة على التنقل في هذا التعقيد الحسابي لأنها تستطيع تمثيل ومعالجة العديد من الأنماط الجينية المحتملة في وقت واحد بطريقة قد تجعل بعض مشكلات المقارنة والبحث واسعة النطاق في علم الجينوم أسرع (أو أكثر كفاءة) من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
وقال الفريق إنه في المستقبل، يمكن للتحليل الجيني الأسرع والأقوى أن يتيح للعلماء تتبع الأمراض المعدية بسرعة، وتحسين فهمهم للاضطرابات الوراثية النادرة، وتحديد الطفرات المسببة للأمراض. إن تحميل جينوم التهاب الكبد D على الكمبيوتر الكمي يفتح الباب أمام حل المشكلات البيولوجية التي كان من المستحيل على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية معالجتها. جيمس ماكافيرتيوقال كبير مسؤولي المعلومات في معهد ويلكوم سانجر في البيان:
وقال ستريلشوك وزملاؤه في فريق Q4Bio في البيان إنه على الرغم من أن الإنجاز واعد، إلا أن التطبيقات العملية ربما لا تزال بعيدة عنا لسنوات. يريد الفريق تجميع هذه القدرات في خدمة قابلة للاستخدام تسمح للمجتمع العلمي الأوسع بتحميل البيانات والاختيار بين الأساليب الكلاسيكية أو الكمية (أو كليهما) لمواجهة التحديات الحسابية.
هل يمكنك مطابقة هذه الأجهزة القديمة مع صورها؟ اكتشف معنا مسابقة الحوسبة!
