چگونه کامپیوترهای کوانتومی می توانند طیف کاملی از تنوع ژنتیکی انسان را روشن کنند؟

تمبر زمان: 26 آوریل 2024 1: 26 PM
نود منبع: 2737225

بازنشر افلاطون

ژنومیک در حال متحول کردن پزشکی و علم است، اما رویکردهای کنونی همچنان در تلاش برای به دست آوردن وسعت تنوع ژنتیکی انسان هستند. پانژنوم ها که ترکیب DNA بسیاری از افراد می تواند راه حل باشد، و یک پروژه جدید فکر می کند کامپیوترهای کوانتومی یک عامل کلیدی خواهند بود.

زمانی که پروژه ژنوم انسانی اولین ژنوم مرجع خود را در سال 2001 منتشر کرد، بر اساس DNA تعداد انگشت شماری از انسان ها بود. در حالی که کمتر از یک درصد از DNA ما از فردی به فرد دیگر متفاوت است، اما همچنان می‌تواند شکاف‌های مهمی ایجاد کند و آنچه را که می‌توانیم از تجزیه و تحلیل ژنومی یاد بگیریم، محدود کند.

به همین دلیل است که مفهوم پانژنوم به طور فزاینده ای محبوب شده است. این به مجموعه‌ای از توالی‌های ژنومی از افراد مختلف اشاره دارد که برای پوشش طیف وسیع‌تری از احتمالات ژنتیکی انسان ادغام شده‌اند.

با این حال، مونتاژ این پانژنوم ها دشوار است، و اندازه و پیچیدگی آنها انجام تحلیل های محاسباتی روی آنها را دلهره آور می کند. به همین دلیل است که دانشگاه کمبریج، مؤسسه Wellcome Sanger و مؤسسه بیوانفورماتیک اروپایی آزمایشگاه زیست مولکولی اروپا با یکدیگر همکاری کرده اند تا ببینند آیا رایانه های کوانتومی می توانند کمک کنند یا خیر.

دیوید هالند از مؤسسه ولکام سانگر گفت: «ما فقط سطح محاسبات کوانتومی و پانژنومیک را خراش داده‌ایم. گفت: در آزادی مطبوعات. بنابراین، گرد هم آوردن این دو جهان فوق العاده هیجان انگیز است. ما دقیقا نمی دانیم چه چیزی در راه است، اما فرصت های بزرگی برای پیشرفت های جدید بزرگ می بینیم.

پانژنوم ها می توانند باشند برای کشف بسیار مهم است چگونه گونه های مختلف ژنتیکی بر زیست شناسی انسان یا گونه های دیگر تأثیر می گذارد. ژنوم مرجع فعلی به عنوان راهنمایی برای جمع آوری توالی های ژنتیکی استفاده می شود، اما به دلیل تنوع ژنوم های انسان، اغلب تکه های قابل توجهی از DNA وجود دارد که با هم مطابقت ندارند. یک پانژنوم بسیار بیشتر از این تنوع را به تصویر می‌کشد، و اتصال نقاط را آسان‌تر می‌کند و دید کامل‌تری از ژنوم‌های احتمالی انسان به ما می‌دهد.

با وجود قدرتشان، کار با پانژنوم ها دشوار است. در حالی که ژنوم یک فرد تنها یک توالی خطی از داده های ژنتیکی است، پانژنوم یک شبکه پیچیده است که سعی می کند تمام روش هایی را که ژنوم های سازنده آن با هم همپوشانی دارند و نه همپوشانی دارند را به تصویر بکشد.

ساختن این نمودارهای به اصطلاح "توالی" چالش برانگیز است و حتی تحلیل آنها چالش برانگیزتر است. و برای استفاده از نمایش غنی تنوع انسانی موجود در درون، به سطوح بالایی از قدرت محاسباتی و تکنیک های جدید نیاز دارد.

اینجاست که این پروژه جدید رایانه‌های کوانتومی را می‌بیند. با تکیه بر ویژگی‌های مکانیک کوانتومی، آنها می‌توانند مشکلات محاسباتی خاصی را که برای رایانه‌های کلاسیک تقریباً غیرممکن است، حل کنند.

در حالی که هنوز ابهام قابل توجهی در مورد اینکه کامپیوترهای کوانتومی واقعاً قادر به انجام چه نوع محاسباتی هستند وجود دارد، بسیاری امیدوارند که آنها به طور چشمگیری توانایی ما را برای حل مشکلات مربوط به سیستم های پیچیده با تعداد زیادی متغیر بهبود بخشند. هدف این پروژه جدید توسعه الگوریتم‌های کوانتومی است که هم تولید و هم تجزیه و تحلیل پانژنوم‌ها را سرعت می‌بخشد، اگرچه محققان اذعان می‌کنند که این روزهای اولیه است.

دیوید یوان از مؤسسه بیوانفورماتیک اروپا در بیانیه مطبوعاتی گفت: «ما از صفر شروع می کنیم زیرا هنوز نمی دانیم چگونه یک پانژنوم را در یک محیط محاسباتی کوانتومی نشان دهیم. اگر آن را با اولین فرود روی ماه مقایسه کنید، این پروژه معادل طراحی یک موشک و آموزش فضانوردان است.

این پروژه 3.5 میلیون دلار جایزه دریافت کرده است که برای توسعه الگوریتم‌های جدید و سپس آزمایش آنها بر روی سخت‌افزار کوانتومی شبیه‌سازی شده با استفاده از ابررایانه‌ها استفاده می‌شود. محققان فکر می کنند ابزارهایی که آنها توسعه می دهند می تواند به پیشرفت های قابل توجهی در پزشکی شخصی منجر شود. آنها همچنین می توانند برای پانژنوم های ویروس ها و باکتری ها اعمال شوند و توانایی ما برای ردیابی و مدیریت شیوع بیماری را بهبود بخشند.

با توجه به ماهیت اکتشافی آن و سختی واداشتن کامپیوترهای کوانتومی به انجام هر کاری عملی، ممکن است مدتی طول بکشد تا پروژه به نتیجه برسد. اما اگر موفق شوند، محققان می‌توانند توانایی ما را برای درک ژن‌هایی که زندگی ما را شکل می‌دهند به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

تصویر های اعتباری: گرت آلتمن / Pixabay