Существенно сократить время расшифровки геномов, помочь в генной терапии, в том числе и для обнаружения и расшифровки онкологических клеток человека,— все это смогут квантовые технологии. К такому выводу пришли ученые из Российского квантового центра, которые вместе с исследователями из компании Genotek с 2019 года вели совместный научный проект по использованию квантовых компьютеров и алгоритмов в генетике.
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ / купить фото
В ходе эксперимента ученым удалось сократить время сборки генома с помощью квантовых и квантово-вдохновленных алгоритмов на устройстве квантового отжига и российском программном эмуляторе SimCIM. В исследовании использовались как реальные, так и моделированные данные. В качестве объекта исследования был выбран геном реального организма вирусного происхождения — бактериофага. Результаты были опубликованы в журнале семейства Nature — Scientific Reports — и представлены на VI Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2021, которая состоялась в середине июля.
По словам ведущего автора исследования РКЦ Алексея Федорова, научная новизна исследования состоит в новом применении устройства квантового отжига в сфере генетики. Также в ходе эксперимента для ускорения сборки генома был использован квантово-вдохновленный алгоритм отжига, который основан на моделировании поведения квантовых систем. Сфера наук о жизни может стать одним из основных применений квантовых компьютеров. По словам Федорова, исследования часто сталкиваются со сложными вычислительными задачами, решение которых может быть ускорено за счет квантовых компьютеров.
Генетический эксперимент будет продолжен и направлен на улучшение алгоритмов, новых постановок задач, а также изучение устойчивости к возможным ошибкам. По словам Федорова, пока из-за небольших мощностей текущего поколения квантового компьютера на нем можно анализировать только геном микроорганизмов. Однако с ростом производительности компьютеров ускорению в сборке может быть подвергнут и геном человека, что может оказать существенное влияние на диагностику и лечение таких заболеваний, как онкология, включая обнаружение и изучение новых типов опухолей, а также изучение биомолекул, изобретение и тестирование новых лекарств и т. д.
К тому же сам алгоритм ускорения сборки генома уже есть, он универсален и может быть применим к человеку. Ускорение сборки генома человека с использованием квантовых компьютеров позволит применять полученные данные для оказания неотложной медицинской помощи и при анализе новых типов заболеваний и поможет развитию персонализированной медицины.
Осталось дождаться компьютеров нового поколения.