نخستین ژنوم ویروس روی رایانه کوانتومی بارگذاری شد

دانشمندان برای نخستین بار ژنوم کامل ویروس هپاتیت D را روی یک رایانه کوانتومی بارگذاری کردند تا راه را برای تحلیل‌های ژنتیکی پیشرفته هموار کنند.

به گزارش سرویس علمی تک‌ناک، این دستاورد در قالب پروژه بین‌المللی Quantum for Bio یا Q4Bio به دست آمده است؛ برنامه‌ای پژوهشی که با هدف توسعه کاربردهای محاسبات کوانتومی در حوزه سلامت و زیست‌شناسی فعالیت می‌کند. در این پروژه، پژوهشگران توانستند ژنوم کامل ویروس هپاتیت D را روی پردازنده کوانتومی Heron شرکت IBM که از ۱۵۶ کیوبیت بهره می‌برد، بارگذاری کنند.

ژنوم‌ها به‌ طور طبیعی از توالی طولانی نوکلئوتیدها تشکیل شده‌اند که با حروف A، C، G و T یا در مورد RNA با حرف U نمایش داده می‌شوند. اما رایانه‌های کوانتومی اطلاعات را به‌ صورت کیوبیت و حالت‌های کوانتومی پردازش می‌کنند. به همین دلیل، انتقال مستقیم داده‌های ژنتیکی به محیط کوانتومی امکان‌پذیر نیست و پژوهشگران باید ابتدا این اطلاعات را به قالبی سازگار با معماری کوانتومی تبدیل کنند.

مرتبط: ردیابی ویروس‌ها در ساختمان‌ها با یک روش جدید

محققان مؤسسه Wellcome Sanger برای حل این چالش، ژنوم ویروس هپاتیت D را به یک نمایش کوانتومی تبدیل کردند. این فرایند باعث شد الگوریتم‌های کوانتومی بتوانند داده‌های ژنتیکی واقعی را پردازش کنند. اهمیت این موضوع در آن است که تاکنون بسیاری از پژوهش‌های حوزه زیست‌شناسی کوانتومی در سطح مفاهیم نظری یا مجموعه داده‌های بسیار محدود انجام می‌شدند و کمتر شاهد استفاده از ژنوم‌های واقعی روی سخت‌افزارهای کوانتومی بوده‌ایم.

پژوهشگران اعلام کرده‌اند که هدف اصلی آنها توسعه ابزارهایی برای تحلیل ژنوم‌های بسیار پیچیده و متغیر است؛ ژنوم‌هایی که حجم داده‌های آنها می‌تواند از ظرفیت روش‌های متداول پردازشی فراتر برود. این موضوع به‌ویژه در مطالعات پان‌ژنوم اهمیت زیادی دارد. پان‌ژنوم مجموعه‌ای از تمام تنوع‌های ژنتیکی موجود در یک گونه را شامل می‌شود و تحلیل آن به توان پردازشی بسیار بالایی نیاز دارد.

سرگی استرلچوک، استاد علوم رایانه در دانشگاه آکسفورد و رهبر این پروژه در توضیح اهمیت این دستاورد گفت که پان‌ژنوم‌ها مانند هزارتویی پیچیده از اطلاعات هستند و پژوهشگران در حال توسعه الگوریتم‌های کوانتومی هستند تا بهترین مسیر را در این هزارتو پیدا کنند؛ کاری که در بسیاری از موارد از توان رایانه‌های کلاسیک خارج است.

این گروه تحقیقاتی در جریان پروژه Q4Bio تنها به بارگذاری ژنوم روی رایانه کوانتومی اکتفا نکرد. آنها چهار قابلیت مهم ژنومیکی را نیز روی سخت‌افزارهای کوانتومی آزمایش کردند. این قابلیت‌ها شامل تبدیل داده‌های DNA به قالب قابل پردازش برای رایانه کوانتومی، هم‌ترازسازی توالی‌های ژنتیکی با ژنوم مرجع، مونتاژ پان‌ژنوم از داده‌های چندین فرد و ساخت درخت‌های فیلوژنتیکی برای بررسی روابط تکاملی میان موجودات زنده بودند.

مرتبط: پیش بینی جهش ویروس ها به کمک هوش مصنوعی

پژوهشگران ویروس هپاتیت D را به دلیل ویژگی‌های خاص آن برای این آزمایش انتخاب کردند. این ویروس دارای یکی از کوچک‌ترین ژنوم‌های شناخته‌شده در میان ویروس‌های جانوری است و ژنوم آن حدود ۱۷۰۰ نوکلئوتید RNA حلقوی را شامل می‌شود. با وجود اندازه کوچک، ساختار RNA این ویروس بسیار پیچیده است و نرخ جهش بالایی دارد؛ ویژگی‌هایی که آن را به نمونه‌ای مناسب برای آزمایش توانایی‌های محاسبات کوانتومی در تحلیل داده‌های ژنتیکی تبدیل می‌کند.

اگرچه رایانه‌های کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارند و تا استفاده گسترده از آنها در تحقیقات پزشکی و زیستی فاصله زیادی باقی مانده است، اما این دستاورد نشان می‌دهد که مسیر استفاده از فناوری کوانتومی در ژنومیک به‌ تدریج در حال هموار شدن است. بسیاری از دانشمندان معتقد هستند که در آینده، محاسبات کوانتومی می‌تواند به کشف داروهای جدید، تحلیل سریع‌تر جهش‌های ژنتیکی، توسعه پزشکی شخصی‌سازی‌شده و درک بهتر بیماری‌های پیچیده کمک کند.

مرتبط: ویروس مرموز و جدیدی با پروتئین ریبوزومی کشف شد

موفقیت اخیر پژوهشگران در بارگذاری و تحلیل یک ژنوم واقعی ویروس روی رایانه کوانتومی را می‌توان گامی مهم در این مسیر دانست؛ گامی که شاید آغازگر نسل جدیدی از تحقیقات زیستی مبتنی بر فناوری‌های کوانتومی باشد.