Российские ученые ускорили сборку генома с помощью квантового отжига

Результаты эксперимента, описанные в Nature Scientific Reports, ускорят процесс обнаружения онкологических клеток.

Группа ученых из Российского квантового центра под руководством Алексея Федорова совместно с исследователями из компании «Genotek» сократила время сборки генома с помощью квантовых и квантово-вдохновленных алгоритмов. В ходе эксперимента исследователи сравнили данные, полученные на устройстве квантового отжига и российском программном эмуляторе SimCIM для модельных данных и для генома реального организма бактериофага. Результаты были опубликованы в журнале семейства Nature — Scientific Reports и представлены на VI Международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2021. Исследование было поддержано Российским научным фондом, а также доступом к квантовым вычислительным устройствам в рамках глобальной борьбы с COVID-19.

Ускорение сборки генома при отсутствии референсного с использованием квантовых компьютеров позволит применять полученные данные для оказания неотложной медицинской помощи и при анализе новых типов заболеваний. Несмотря на то, что полная реконструкция исходного генома, необходимая для персонализации медицинского подхода, все еще невозможна на квантовых вычислительных устройствах из-за их недостаточной мощности, ученым удалось разработать алгоритм и решить ряд технических сложностей, тем самым повысив точность и ускорив процесс анализа данных.

Квантовые вычислительные устройства способны обработать большее количество переменных, при этом кратно сокращая не только временные, но и финансовые затраты. Результаты могут значительно облегчить изучение новых видов и структурных изменений ДНК, которые не удается обнаружить методом классического картирования, и геномных перестроек в раковых клетках. Таким образом, внедрение квантовых технологий способствует более оперативному развитию персонализированной медицины.

Первый геном был секвенирован более 40 лет назад (бактериофаг фХ 174). Однако если первая сборка генома человека заняла около 13 лет, то сегодня государственные и частные учреждения способны реализовывать этот процесс за несколько недель. Участники эксперимента показали эффективность квантовых вычислений в биоинформатических задачах, впервые проведя исследования как на основе реальных, так и смоделированных данных.

«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.

«Возможности квантовых компьютеров позволяют по-новому взглянуть на задачи, в том числе биоинформатические, которые ранее казались вычислительно слишком сложными. В нашем исследовании мы оценили перспективы применения квантовых компьютеров в анализе геномов человека и других организмов. На стыке этих областей появляются новые методы, с помощью которых растущие объемы данных анализируются более качественно (прим., геном одного человека занимает порядка 100 Gb). Кроме того, новые методы позволяют не ждать сутками результатов генетических исследований в тех ситуациях, когда счет идет на часы», — рассказал Директор по продукту Genotek Александр Ракитько.

ICQT — крупнейшая российская и одна из наиболее престижных мировых конференций по квантовым технологиям. Программа включает в себя не только высокоуровневые научные доклады, но и Открытый день для широкой аудитории. В этом году конференция организована Российским квантовым центром, Госкорпорацией «Росатом» и Национальной квантовой лабораторией. Генеральный партнёр мероприятия — Сбербанк. Партнерами выступили Российская академия наук, Газпромбанк, Фонд Росконгресс и МИСиС. Мероприятие проходит в рамках Года науки и технологий.