Группа исследователей из Российского квантового центра в сотрудничестве с одной из российских медицинских компаний сократила время сборки генома человека с помощью квантовых алгоритмов. Об этом ученые рассказали в своей статье, опубликованной научным журналом Scientific Reports.
Ускорение сборки генома пациента может помочь при диагностике онкологических заболеваний, потому что слияние и перегруппировка генов являются распространенными причинами злокачественных опухолей.
Первая сборка генома человека заняла около 13 лет. Сегодня решение этой задачи занимает несколько недель с использованием суперкомпьютеров или grid-технологий. Геном одного человека занимает около 100 Гбайт.
Геном собирают путем объединения большого количества коротких фрагментов ДНК в одну или несколько длинных последовательностей. Фрагменты ДНК ученые получают, расшифровывая последовательность аминокислот в ее структуре. То есть на руках исследователи имеют расшифрованные кусочки ДНК. Они должны догадаться, как соединить эти кусочки друг с другом, чтобы восстановить исходную структуру всей цепочки ДНК.
Поскольку геном часто содержит много одинаковых кусочков длиной в несколько тысяч нуклеотидов, которые могут не раз повторяться в разных местах цепочки ДНК, то сборка генома является очень сложной вычислительной задачей.
Для сборки генома подходят возможности узкоспециального канадского квантового компьютер D-Wave. Его алгоритм оптимизационных расчетов называют квантовым отжигателем. Он создан на основе квантового отжига – так называют математический метод для поиска минимума функции. D-Wave уже применяли, чтобы уточнить диагноз пациентам с немелкоклеточным раком легкого (аденокарцинома или плоскоклеточный рак). Это важно для выбора средств лечения и прогноза заболевания.
Российские ученые разработали собственный алгоритм квантового отжига. Им удалось с его помощью повысить точность результата и ускорить процесс анализа данных. В ходе своего эксперимента исследователи сравнили результаты, полученные на устройстве D-Wave и российском программном эмуляторе SimCIM. В эксперименте использовались модельные данные и геном реального бактериофага.
"Одна из важнейших задач области квантовых вычислений – это поиск полезных приложений. Биоинформатика и генетика часто сталкиваются со сложными вычислительными задачами, решение которых может быть ускорено за счет квантовых компьютеров. В рамках нашего исследования мы показали возможность использовать определенные типы квантовых компьютеров – устройства квантового отжига – для решения задач сборки генома. Мы также использовали квантово-вдохновленный алгоритм отжига, который основан на моделировании поведения квантовых систем. В будущем спектр применения квантовых вычислительных технологий в задачах генетики может быть значительно расширен", – сообщил Алексей Федоров, ведущий автор исследования.
По словам исследователей, новые методы вычислений позволяют не ждать сутками результатов генетических исследований в тех ситуациях, когда счет идет на часы.
Исследование было поддержано Российским научным фондом, а также доступом к квантовым вычислительным устройствам в рамках глобальной борьбы с COVID-19.
Ранее мы сообщали, что квантовый симулятор научили управлять 256 кубитами и что второкурсник придумал революционный алгоритм для квантовых компьютеров. А еще рассказывали, что российские учёные определили, какие вычисления стоит проводить на квантовых компьютерах.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".
