U novoj multidisciplinarnoj studiji, istraživači sa Teksaškog univerziteta A&M pokazali su kako kvantno računarstvo – nova vrsta računarstva koja može da obrađuje dodatne tipove podataka – može pomoći u genetskom istraživanju i iskoristili ga za otkrivanje novih veza između gena koje naučnici ranije nisu mogli da otkriju. .
Njihov projekat je koristio novu računarsku tehnologiju za mapiranje regulatornih mreža gena (GRN), koje pružaju informacije o tome kako geni mogu izazvati jedni druge da se aktiviraju ili deaktiviraju.
Kako je tim objavio u npj Kuantum Information, kvantno računarstvo će pomoći naučnicima da preciznije predvide odnose između gena, što bi moglo imati ogromne implikacije i na medicinu životinja i ljudi.
„GRN je poput mape koja nam govori kako geni utiču jedni na druge“, rekao je Cai. „Na primer, ako se jedan gen uključi ili isključi, onda može da promeni drugi gen koji bi mogao da promeni tri, pet ili još 20 gena niz liniju.
„Pošto su naši GRN-ovi kvantnog računarstva konstruisani na način koji nam omogućava da uhvatimo složenije odnose između gena od tradicionalnog računarstva, pronašli smo neke veze između gena za koje ljudi ranije nisu znali“, rekao je on. „Neki istraživači koji su specijalizovani za tip ćelija koje smo proučavali pročitali su naš rad i shvatili da naša predviđanja pomoću kvantnog računarstva bolje odgovaraju njihovim očekivanjima od tradicionalnog modela.
Sposobnost da se zna koji geni će uticati na druge gene je ključna za naučnike koji traže načine da zaustave štetne ćelijske procese ili promovišu one korisne.
„Ako možete da predvidite ekspresiju gena kroz GRN i razumete kako se te promene prevode na stanje ćelija, možda ćete moći da kontrolišete određene ishode“, rekao je Cai. „Na primer, promena načina na koji se ekspresuje jedan gen može završiti inhibiranjem rasta ćelija raka.
Sa kvantnim računarstvom, Cai i njegov tim prevazilaze ograničenja starijih računarskih tehnologija koje se koriste za mapiranje GRN-ova.
„Pre upotrebe kvantnog računarstva, algoritmi su mogli da obrađuju samo poređenje dva gena u isto vreme“, rekao je Cai.
Cai je objasnio da samo poređenje gena u parovima može dovesti do pogrešnih zaključaka, jer geni mogu funkcionisati u složenijim odnosima. Na primer, ako se aktivira gen A i gen B, to ne znači uvek da je gen A odgovoran za promenu gena B. U stvari, to bi mogao biti gen C koji menja oba gena.
„Kod tradicionalnog računarstva, podaci se obrađuju u bitovima, koji imaju samo dva stanja — uključeno i isključeno, ili 1 i 0“, rekao je Cai. „Ali sa kvantnim računarstvom, možete imati stanje koje se zove superpozicija koja je istovremeno uključena i isključena. To nam daje novu vrstu bita — kvantni bit, ili kubit.
„Zbog superpozicije, mogu da simuliram i aktivna i neaktivna stanja za gen u GRN-u, kao i uticaj ovog pojedinačnog gena na druge gene“, rekao je on. „Na kraju dobijate potpuniju sliku o tome kako geni utiču jedni na druge.“
Dok su Cai i njegov tim naporno radili da pokažu da je kvantno računarstvo korisno za biomedicinsku oblast, ima još mnogo posla da se uradi.
„To je veoma novo polje“, rekao je Cai. „Većina ljudi koji rade u kvantnom računarstvu imaju pozadinu fizike. A ljudi na strani biologije obično ne razumeju kako kvantno računarstvo funkcioniše. Zaista morate biti u stanju da razumete obe strane.“
Zbog toga istraživački tim uključuje i biomedicinske naučnike i inženjere kao što je Caijev dr. student Cristian Roman Vicharra, koji je ključni član istraživačkog tima i predvodio je studiju iza nedavne publikacije.
„U budućnosti planiramo da uporedimo zdrave ćelije sa onima sa bolestima ili mutacijama“, rekao je Cai. „Nadamo se da ćemo videti kako bi mutacija mogla uticati na stanje gena, ekspresiju, frekvencije itd.“
Za sada je važno da se što jasnije razume kako funkcionišu zdrave ćelije pre nego što ih uporedite sa mutiranim ili bolesnim ćelijama.
„Prvi korak je bio da predvidimo ovaj osnovni model i vidimo da li mreža koju smo mapirali ima smisla“, rekao je Cai. „Sada možemo da nastavimo dalje.“
