Genomika rewolucjonizuje medycynę i naukę, ale obecne podejścia w dalszym ciągu nie pozwalają uchwycić zakresu różnorodności genetycznej człowieka. Odpowiedzią mogą być pangenomy zawierające DNA wielu ludzi, a w ramach nowego projektu uważa się, że komputery kwantowe odegrają w tym kluczową rolę.

Kiedy w 2001 r. w ramach projektu Human Genome Project opublikowano pierwszy genom referencyjny, opierał się on na DNA zaledwie kilku ludzi. Chociaż mniej niż jeden procent naszego DNA różni się w zależności od osoby, może to jednak pozostawić istotne luki i ograniczyć to, czego możemy się dowiedzieć z analiz genomicznych.

Dlatego koncepcja pangenomu staje się coraz bardziej popularna. Odnosi się to do zbioru sekwencji genomowych wielu różnych ludzi, które zostały połączone, aby objąć znacznie większy zakres możliwości genetycznych człowieka.

Składanie tych pangenomów jest jednak trudne, a ich rozmiar i złożoność sprawiają, że przeprowadzanie na nich analiz obliczeniowych jest trudne. Właśnie dlatego Uniwersytet w Cambridge, Instytut Wellcome Sanger i Europejski Instytut Bioinformatyki Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej połączyły siły, aby sprawdzić, czy komputery kwantowe mogą być pomocne.

„Dopiero zarysowaliśmy powierzchnię zarówno obliczeń kwantowych, jak i pangenomiki” – oznajmił w komunikacie prasowym David Holland z Wellcome Sanger Institute. „Połączenie tych dwóch światów jest niezwykle ekscytujące. Nie wiemy dokładnie, co nadchodzi, ale widzimy ogromne możliwości w zakresie nowych, znaczących osiągnięć”.

Pangenomy mogą mieć kluczowe znaczenie dla odkrycia, w jaki sposób różne warianty genetyczne wpływają na biologię człowieka lub innych gatunków. Obecny genom referencyjny służy jako wskazówka przy składaniu sekwencji genetycznych, ale ze względu na zmienność ludzkich genomów często występują znaczące fragmenty DNA, które nie pasują do siebie. Pangenom uchwyciłby znacznie więcej tej różnorodności, ułatwiając łączenie faktów i dając nam pełniejszy obraz możliwych ludzkich genomów.

Pomimo swojej mocy, pangenomy są trudne w obróbce. Podczas gdy genom pojedynczej osoby jest po prostu liniową sekwencją danych genetycznych, pangenom to złożona sieć, która próbuje uchwycić wszystkie sposoby, w jakie składowe genomy nakładają się i nie.

Te tak zwane „wykresy sekwencji” są trudne do skonstruowania, a jeszcze trudniejsze do analizy. Wykorzystanie bogatej reprezentacji ludzkiej różnorodności zawartej w tym systemie będzie wymagało dużej mocy obliczeniowej i nowatorskich technik.

Właśnie w tym nowym projekcie z pomocą przychodzą komputery kwantowe. Wykorzystując dziwactwa mechaniki kwantowej, mogą rozwiązać pewne problemy obliczeniowe, które są prawie niemożliwe w przypadku klasycznych komputerów.

Chociaż nadal istnieje znaczna niepewność co do rodzaju obliczeń, jakie faktycznie będą w stanie wykonywać komputery kwantowe, wielu ma nadzieję, że radykalnie poprawią one naszą zdolność rozwiązywania problemów związanych ze złożonymi systemami z dużą liczbą zmiennych. Celem tego nowego projektu jest opracowanie algorytmów kwantowych, które przyspieszą zarówno produkcję, jak i analizę pangenomów, choć naukowcy przyznają, że jest to dopiero początek.

„Zaczynamy od zera, ponieważ nawet nie wiemy jeszcze, jak przedstawić pangenom w środowisku obliczeń kwantowych” – powiedział w komunikacie prasowym David Yuan z Europejskiego Instytutu Bioinformatyki. „Jeśli porównać to do pierwszych lądowań na Księżycu, ten projekt jest odpowiednikiem zaprojektowania rakiety i szkolenia astronautów”.

Projekt otrzymał kwotę 3,5 miliona dolarów, które zostaną przeznaczone na opracowanie nowych algorytmów, a następnie przetestowanie ich na symulowanym sprzęcie kwantowym z wykorzystaniem superkomputerów. Naukowcy uważają, że opracowane przez nich narzędzia mogą doprowadzić do znaczących przełomów w medycynie personalizowanej. Można je również zastosować do pangenomów wirusów i bakterii, poprawiając naszą zdolność do śledzenia ognisk chorób i zarządzania nimi.

Biorąc pod uwagę jego eksploracyjny charakter i trudność w przystosowaniu komputerów kwantowych do jakichkolwiek praktycznych zastosowań, może minąć trochę czasu, zanim projekt przyniesie owoce. Jeśli jednak im się to uda, badacze będą mogli znacząco poszerzyć naszą zdolność rozumienia genów kształtujących nasze życie.

Źródło obrazu: Gerd Altmann / Pixabay