Квантовые компьютеры расшифруют геномное разнообразие человечества

Геномика революционизирует медицину и науку, но существующие подходы всё ещё не могут в полной мере охватить все многообразие человеческой генетической изменчивости. Паногеномы, включающие ДНК многих людей, могут стать решением этой проблемы, а новый проект считает, что квантовые компьютеры будут играть ключевую роль в их создании и анализе.

В 2001 году, когда был опубликован первый референсный геном в рамках проекта «Геном человека», он базировался лишь на ДНК нескольких доноров. Менее одного процента нашей ДНК варьируется от человека к человеку, но это всё же может оставлять важные пробелы и ограничивать то, что можно извлечь из геномного анализа.

По этой причине концепция паногенома становится всё более популярной. Паногеном называют совокупность геномных последовательностей от многих разных людей, объединенных для охвата гораздо более широкого диапазона генетических вариаций человека.

Однако собрать такие панногеномы непросто, а их размер и сложность делают вычислительный анализ на их основе крайне трудоемким. Именно поэтому Кембриджский университет, Институт Сангера и Европейский институт биоинформатики объединили усилия, чтобы выяснить, смогут ли квантовые компьютеры помочь в этом деле.

«Мы только начали изучать как квантовые вычисления, так и паногеномику, - заявил Дэвид Холланд из Института Сангера. - Поэтому объединить эти два мира невероятно интересно. Мы пока не знаем наверняка, к чему это приведет, но видим большие возможности для крупных открытий».

Паногеномы могут стать ключевыми для обнаружения того, как различные генетические варианты влияют на биологию человека или других видов. Актуальный референсный геном используется как руководство для сборки генетических последовательностей, но из-за изменчивости человеческих геномов зачастую остаются значительные фрагменты ДНК, которые просто не соответствуют этой опорной последовательности. Панногеном может охватить гораздо большее генетическое разнообразие, облегчая связывание разрозненных элементов и давая более полное представление о возможных вариациях человеческого генома.

Несмотря на свою мощь, панногеномы сложны для работы. В то время как геном одного человека представляет собой лишь линейную последовательность генетических данных, паногеном – это сложная сеть, пытающаяся охватить все способы, которыми его составляющие геномы совпадают и различаются друг с другом.

Эти так называемые «графы последовательностей» сложно как построить, так и анализировать. И для использования богатого представления человеческого разнообразия, заключенного в них, потребуется высокий уровень вычислительной мощности и новые методы.

Именно здесь в новом проекте квантовые компьютеры могут прийти на помощь. Полагаясь на законы квантовой механики, они позволят решать вычислительные задачи, практически невозможные для классических компьютеров.

Пока ещё сохраняется значительная неопределенность относительно того, какие именно вычисления будут доступны квантовым компьютерам. Однако многие надеются, что они резко повысят способность решать задачи, связанные со сложными системами с большим количеством переменных. Новый проект нацелен на разработку квантовых алгоритмов, которые ускорят как создание, так и анализ панногеномов, хотя исследователи признают, что работа только начинается.

«Мы начинаем с нуля, потому что даже не знаем пока, как представить панногеном в квантовой вычислительной среде, - заявил Дэвид Юань из Европейского института биоинформатики. - Если провести аналогию с первыми полетами на Луну, то этот проект – это проектирование ракеты и подготовка астронавтов».

На реализацию проекта выделено 3,5 миллиона долларов. Средства пойдут на разработку новых алгоритмов с последующим тестированием на симуляторах квантового оборудования с использованием суперкомпьютеров. Исследователи полагают, что созданные в рамках проекта инструменты могут привести к значительным прорывам в области персонализированной медицины, а также в изучении панногеномов вирусов и бактерий, улучшая способность отслеживать и бороться с вспышками заболеваний.

Учитывая исследовательский характер проекта и сложности практического применения квантовых компьютеров, до первых результатов может пройти некоторое время. Но если усилия увенчаются успехом, исследователи смогут значительно расширить возможности понимания генов, формирующих нашу жизнь.