Ορόσημο στη Βιοπληροφορική: Για πρώτη φορά φορτώθηκε πλήρες γονιδίωμα σε κβαντικό υπολογιστή!

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης και του Ινστιτούτου Wellcome Sanger φόρτωσαν για πρώτη φορά με επιτυχία ένα πλήρες γονιδίωμα σε κβαντικό υπολογιστή.
• Η ομάδα χρησιμοποίησε το γονιδίωμα του ιού της Ηπατίτιδας D, το οποίο αποτελείται από 1.700 ζεύγη βάσεων, μετατρέποντάς το σε κβαντικές καταστάσεις.
• Το εγχείρημα εκτελέστηκε στον κβαντικό επεξεργαστή Heron των 156-qubit της IBM.
• Απώτερος στόχος του έργου "Quantum Pangenomics" είναι η ανάλυση τεράστιων πανγονιδιωματικών συνόλων, η ανακάλυψη στοχευμένων θεραπειών και η αντιμετώπιση της μικροβιακής αντοχής.
• Η εξέλιξη αναμένεται να επηρεάσει άμεσα τα δίκτυα ιατρικής ακριβείας και τα εργαστήρια βιοπληροφορικής.

Το γονιδίωμα του ιού της Ηπατίτιδας D, το οποίο απαρτίζεται από 1.700 ζεύγη βάσεων, κωδικοποιήθηκε επιτυχώς σε κβαντικές καταστάσεις για πρώτη φορά στην ιστορία. Η διεργασία έλαβε χώρα μέσω του προηγμένου κβαντικού επεξεργαστή IBM Heron (156-qubit), καταγράφοντας επιδόσεις στην ευθυγράμμιση αλληλουχιών και την κατασκευή φυλογενετικών δέντρων, διεργασίες που μέχρι πρότινος εκτελούνταν αποκλειστικά από κλασικούς υπερυπολογιστές.

Η σύμπραξη του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, του Ινστιτούτου Wellcome Sanger και των Πανεπιστημίων του Κέιμπριτζ και της Μελβούρνης (με τη συνδρομή του Kyiv Academic University) αποδεικνύει την ικανότητα του σύγχρονου κβαντικού υλικού να διαχειρίζεται βιολογικά δεδομένα. Η μετάφραση των αζωτούχων βάσεων (Αδενίνη, Θυμίνη, Γουανίνη, Κυτοσίνη) σε μαθηματικές δομές αναγνώσιμες από τα qubits συνιστά θεμελιώδη πρόοδο.

Η επιλογή του ιού της Ηπατίτιδας D δεν ήταν τυχαία, καθώς διαθέτει ένα εξαιρετικά συμπαγές γονιδίωμα, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για δοκιμές σε κβαντικούς επεξεργαστές οι οποίοι, παρά την τεχνολογική τους πρόοδο, χαρακτηρίζονται ακόμη από θόρυβο και περιορισμένο χρόνο συνοχής. Ταυτόχρονα, πρόκειται για ένα κλινικά κρίσιμο παθογόνο, οπότε η έρευνα έχει άμεσο ιατρικό ενδιαφέρον.

Ο επεξεργαστής Heron της IBM, με τα 156 qubits, προσφέρει σημαντικά μειωμένα ποσοστά σφαλμάτων σε σύγκριση με τις προηγούμενες γενιές (όπως ο επεξεργαστής Eagle). Η σταθερότητα του Heron επέτρεψε στην ερευνητική ομάδα να εκτελέσει τον απαιτούμενο αριθμό κβαντικών πυλών χωρίς να καταρρεύσει η κβαντική κατάσταση, διασφαλίζοντας την ακρίβεια της ευθυγράμμισης των αλληλουχιών.

Η κλασική ανάλυση βασίζεται παραδοσιακά σε ένα ενιαίο γονιδίωμα αναφοράς. Η σύγχρονη ιατρική, ωστόσο, απαιτεί την ανάλυση «πανγονιδιωμάτων», δηλαδή συνόλων δεδομένων που αποτυπώνουν την ταυτόχρονη γενετική ποικιλομορφία χιλιάδων ατόμων. Όσο τα δεδομένα αυτά αυξάνονται, η κλασική υπολογιστική αδυνατεί να ακολουθήσει τον ρυθμό ανάλυσης, εξαιτίας του γεωμετρικού πολλαπλασιασμού της πληροφορίας.

Η κβαντική πληροφορική παρέχει τη δυνατότητα εκτέλεσης υπολογισμών παράλληλα μέσω της υπέρθεσης και της κβαντικής διεμπλοκής. Οι ειδικά σχεδιασμένοι αλγόριθμοι που εφάρμοσε η ομάδα του Oxford μπορούν να βρουν τη βέλτιστη διαδρομή μέσα σε έναν αχανή χάρτη πανγονιδιώματος στοχευμένα, παρακάμπτοντας την ανάγκη ελέγχου κάθε πιθανής μεταβλητής σειριακά.

Η κλιμάκωση αυτής της τεχνολογίας θα μεταβάλει άρδην τη φαρμακολογία και την ογκολογία. Η ταχεία και ακριβής αναγνώριση γενετικών μεταλλάξεων επιτρέπει τη δημιουργία απολύτως εξατομικευμένων θεραπειών. Παράλληλα, τα συστήματα αυτά θα μπορέσουν να αναλύσουν ταχύτερα τις μεταλλάξεις που οδηγούν στη μικροβιακή αντοχή (AMR), δίνοντας στους επιστήμονες το χρονικό προβάδισμα για την ανάπτυξη νέων αντιβιοτικών σχημάτων.

Με τη ματιά του Techgear

Η επιτυχής κωδικοποίηση ενός ολόκληρου γονιδιώματος στον IBM Heron επιβεβαιώνει πως η κβαντική τεχνολογία μεταβαίνει οριστικά από το στάδιο της καθαρής θεωρίας στις πρακτικές εφαρμογές υψηλής αξίας. Παρά τον αρχικό σκεπτικισμό για τον βαθμό χρησιμότητας των σημερινών Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) υπολογιστών, βλέπουμε πως η βιοπληροφορική είναι ίσως το πιο γόνιμο έδαφος για τα πρώτα ουσιαστικά αποτελέσματα. Φυσικά, τα 1.700 ζεύγη βάσεων της Ηπατίτιδας D απέχουν εκατομμύρια φορές από τα 3 δισεκατομμύρια ζεύγη του ανθρώπινου γονιδιώματος, επομένως, η πραγματική πρόκληση είναι η κλιμάκωση της τεχνολογίας.