Pierwszy genom zapisany w komputerze kwantowym. Naukowcy złamali kod wirusa

„Gdy pracujemy z pangenomami, informacja przybiera postać splątanego labiryntu. Budujemy algorytmy kwantowe, które pomagają znaleźć najlepszą ścieżkę przez ten labirynt, gdy zwykłe narzędzia – jak klasyczne komputery – po prostu beznadziejnie grzęzną” – mówi Sergii Strelchuk, lider zespołu badawczego z Wydziału Informatyki Uniwersytetu Oksfordzkiego. To zdanie otwiera drzwi do przyszłości, w której komputery kwantowe czytają i analizują DNA. Naukowcom z Wellcome Sanger Institute oraz IBM udało się właśnie coś, co jeszcze kilka lat temu wydawało się science fiction: zapisali w komputerze kwantowym prawdziwy, biologiczny genom.

Genom w świecie kubitów

→ Czytaj też: Badanie DNA 142 średniowiecznych grobów. Co odkryto w parze dorosły-dziecko?

Genom przechowujemy naturalnie jako długi ciąg liter (A, C, G, T). Komputer kwantowy operuje natomiast stanami kwantowymi, których podstawową jednostką jest kubit. Zwykłe skopiowanie liter DNA do kubitów to za mało – informację trzeba przekształcić w reprezentację kwantową, którą maszyna potrafi przygotować, manipulować nią i mierzyć. Zespół Strelchuka dokonał tego jako pierwszy w historii.

Naukowcy wybrali do eksperymentu genom wirusa zapalenia wątroby typu D (HDV) – jednego z najmniejszych poznanych patogenów zwierzęcych, liczącego zaledwie około 1700 nukleotydów RNA. To klinicznie istotny patogen powodujący ciężkie, krwionośne zakażenia wątroby. Jego niewielki rozmiar nie oznacza jednak prostoty – RNA HDV tworzy skomplikowane struktury drugorzędowe, a wirus mutuje niezwykle szybko. Idealny kandydat, by przetestować nową technologię.

Eksperyment zrealizowano w ramach międzynarodowego programu Quantum for Bio (Q4Bio), wykorzystującego procesor IBM Heron o mocy 156 kubitów. Jak podkreślają autorzy w relacji na łamach Live Science, postawili sobie za cel udowodnienie, że kwantowe maszyny potrafią obsłużyć rzeczywiste dane genomiczne – nie tylko teoretyczne problemy.

Pangenomy – splątany labirynt genetyki

→ Czytaj też: Zamrozili światłowód do -196°C. Efekt może zmienić komputery na zawsze

Dlaczego to przełom? Ponieważ przyszłość genetyki leży w pangenomach – zbiorach sekwencji genomów pochodzących od wielu osobników tego samego gatunku. Wyobraźmy sobie, że nie porównujemy już jednego genomu do wzorca, ale analizujemy całe spektrum zmienności genetycznej w populacji. W miarę dodawania kolejnych genomów ilość informacji rośnie wykładniczo, a klasyczne komputery szybko osiągają kres swoich możliwości.

„Celem jest prosta, ale zmieniająca reguły gry idea: wprowadzić obliczenia kwantowe do świata genomiki” – zaznacza Strelchuk.

Kwanty oferują nową drogę. Potrafią reprezentować i przetwarzać wiele możliwych wzorców genetycznych jednocześnie, co przy problemach porównawczych i wyszukiwawczych może okazać się niezwykle wydajne. Nie chodzi tylko o szybkość – to zupełnie inny paradygmat obliczeniowy, który pozwala rozwiązywać problemy, przy których klasyczne maszyny „beznadziejnie grzęzną”.

Cztery kluczowe umiejętności w praktyce

To nie pierwszy sukces zespołu. W ramach Q4Bio naukowcy zademonstrowali już na prawdziwym sprzęcie kwantowym cztery podstawowe operacje genomiczne: kodowanie danych (przekształcanie sekwencji DNA do formatu kwantowego), mapowanie sekwencji (dopasowywanie fragmentów DNA do genomów referencyjnych), składanie pangenomów oraz konstruowanie drzew filogenetycznych, które pokazują ewolucyjne pokrewieństwa między organizmami.

Wybór wirusa HDV był celowy. Zbalansował on złożoność strukturalną i szybkość mutacji z praktyczną użytecznością biomedyczną. Rezultat: po raz pierwszy pokazano, że kwantowa maszyna może analizować genetyczny kod patogenu w całej jego złożoności.

Co dalej? Od laboratorium do kliniki

James McCafferty, dyrektor ds. informatyki w Wellcome Sanger Institute, ocenia, że zapisanie genomu HDV w komputerze kwantowym toruje drogę do rozwiązywania problemów biologicznych nieosiągalnych dla klasycznych maszyn. Zespół planuje opakować te zdolności w użyteczną usługę, która pozwoli społeczności naukowej przesyłać dane i wybierać między podejściem klasycznym a kwantowym – lub łączyć oba.

Zastosowania mogą być spektakularne: szybsze śledzenie chorób zakaźnych, lepsze zrozumienie rzadkich zaburzeń genetycznych, precyzyjniejsze wskazywanie mutacji wywołujących choroby. Naukowcy studzą jednak entuzjazm – praktyczne wdrożenia dzielą nas jeszcze lata. Jedno jest pewne: pierwszy krok został zrobiony. Genom przemówił językiem kubitów.