Исследователи используют квантовые вычисления для предсказания связей между генами

В новом междисциплинарном исследовании учёные из Техасского университета A&M продемонстрировали, как квантовые вычисления — новый вид вычислений, способный обрабатывать дополнительные типы данных — могут помочь в генетических исследованиях. С их помощью были обнаружены новые связи между генами, которые ранее не удавалось выявить.

Проект использовал эту технологию для построения карт сетей генной регуляции (GRN), которые показывают, как гены могут активировать или деактивировать друг друга.

Как сообщила команда в npj Quantum Information, квантовые вычисления позволят учёным точнее предсказывать взаимосвязи между генами, что может иметь огромное значение для медицины как животных, так и человека.

"GRN — это как карта, которая показывает нам, как гены влияют друг на друга", — пояснил Кай. "Например, если один ген включается или выключается, это может изменить другой ген, который, в свою очередь, изменит три, пять или двадцать других генов".

"Поскольку наши GRN, построенные с помощью квантовых вычислений, позволяют улавливать более сложные взаимосвязи между генами, чем традиционные вычисления, мы обнаружили некоторые связи, о которых ранее не знали", — сказал он. "Некоторые специалисты по изучаемому нами типу клеток, прочитав нашу статью, поняли, что наши прогнозы с использованием квантовых вычислений лучше соответствуют их ожиданиям, чем традиционная модель".

Способность предсказывать, какие гены будут влиять на другие, крайне важна для учёных, ищущих способы остановить вредные клеточные процессы или стимулировать полезные.

"Если вы можете предсказать экспрессию генов через GRN и понять, как эти изменения влияют на состояние клеток, вы, возможно, сможете контролировать определённые исходы", — отметил Кай. "Например, изменение экспрессии одного гена может в итоге подавить рост раковых клеток".

Максимальное использование новой технологии

С помощью квантовых вычислений команда Кая преодолевает ограничения более старых вычислительных технологий, используемых для построения GRN.

"До использования квантовых вычислений алгоритмы могли сравнивать только два гена одновременно", — сказал Кай.

Он объяснил, что попарное сравнение генов может приводить к ошибочным выводам, поскольку гены могут функционировать в более сложных взаимосвязях. Например, если активируется ген A и ген B, это не всегда означает, что ген A ответственен за изменение гена B. На самом деле, это может быть ген C, изменяющий оба гена.

"При традиционных вычислениях данные обрабатываются битами, которые имеют только два состояния — включено и выключено, или 1 и 0", — сказал Кай. "Но в квантовых вычислениях существует состояние, называемое суперпозицией, которое одновременно и включено, и выключено. Это даёт нам новый вид бита — кубит".

"Благодаря суперпозиции я могу моделировать как активное, так и неактивное состояние гена в GRN, а также влияние этого отдельного гена на другие гены", — добавил он. "В итоге получается более полная картина того, как гены влияют друг на друга".

Следующий шаг

Хотя команда Кая много работала, чтобы показать полезность квантовых вычислений для биомедицины, предстоит ещё много работы.

"Это очень новая область", — сказал Кай. "Большинство людей, работающих в квантовых вычислениях, имеют физическое образование. А люди со стороны биологии обычно не понимают, как работают квантовые вычисления. Нужно действительно понимать обе стороны".

Вот почему в исследовательскую группу входят как биомедики, так и инженеры, такие как аспирант Кая Кристиан Роман Вичарра, который был ключевым участником исследования, стоящего за недавней публикацией.

"В будущем мы планируем сравнить здоровые клетки с клетками, имеющими заболевания или мутации", — сказал Кай. "Мы надеемся увидеть, как мутация может повлиять на состояния генов, их экспрессию, частоты и т.д.".

Пока же важно получить максимально чёткое представление о работе здоровых клеток, прежде чем сравнивать их с мутировавшими или больными клетками.

"Первым шагом было предсказание этой базовой модели и проверка, имеет ли построенная нами сеть смысл", — заключил Кай. "Теперь мы можем двигаться дальше".