研究人员使用量子计算来预测基因关系

 

在一项新的多学科研究中，德克萨斯农工大学的研究人员展示了量子计算（一种可以处理其他类型数据的新型计算）如何协助基因研究，并用它来发现科学家以前无法检测到的基因之间的新联系。

他们的项目使用新的计算技术来绘制基因调控网络（GRN），该网络提供了有关基因如何导致彼此激活或失活的信息。

正如该团队 在npj Quantum Information上发表的那样，量子计算将帮助科学家更准确地预测基因之间的关系，这可能对动物和人类医学产生巨大影响。

“GRN就像一张地图，告诉我们基因是如何相互影响的，”蔡说。“例如，如果一个基因打开或关闭，那么它可能会改变另一个基因，而另一个基因可能会改变三个、五个或20个基因。

“因为我们的量子计算GRN的构建方式使我们能够捕获比传统计算更复杂的基因关系，所以我们发现了一些人们以前不知道的基因之间的联系，”他说。“一些专门研究我们研究的细胞类型的研究人员阅读了我们的论文，并意识到我们使用量子计算的预测比传统模型更符合他们的期望。

知道哪些基因会影响其他基因的能力对于科学家寻找阻止有害细胞过程或促进有益细胞过程的方法至关重要。

“如果你能通过GRN预测基因表达，并了解这些变化如何转化为细胞的状态，你也许能够控制某些结果，”蔡说。“例如，改变一个基因的表达方式可能最终会抑制癌细胞的生长。

 

充分利用新技术

通过量子计算，Cai和他的团队正在克服用于绘制GRN的旧计算技术的局限性。

“在使用量子计算之前，这些算法一次只能比较两个基因，”蔡说。

Cai解释说，只有成对比较基因可能会导致误导性的结论，因为基因可能在更复杂的关系中运作。例如，如果基因 A 激活，基因 B 也激活，这并不总是意味着基因 A 对基因 B 的变化负责。事实上，可能是基因C改变了两个基因。

“在传统计算中，数据以比特为单位进行处理，这些比特只有两种状态——开和关，或者 1 和 0，”蔡说。“但是通过量子计算，你可以拥有一种称为叠加的状态，它同时打开和关闭。这给了我们一种新的比特——量子比特，或量子比特。

“由于叠加，我可以模拟GRN中一个基因的活性和非活性状态，以及这个单一基因对其他基因的影响，”他说。“你最终会得到一个更完整的基因如何影响彼此的画面。

采取下一步行动

虽然蔡和他的团队一直在努力证明量子计算对生物医学领域有帮助，但仍有许多工作要做。

“这是一个非常新的领域，”蔡说。“大多数从事量子计算工作的人都有物理学背景。生物学方面的人通常不了解量子计算是如何工作的。你真的必须能够理解双方。

这就是为什么研究团队包括生物医学科学家和工程师，比如蔡的博士生Cristhian Roman Vicharra，他是研究团队的关键成员，并领导了最近发表的研究。

“未来，我们计划将健康细胞与有疾病或突变的细胞进行比较，”蔡说。“我们希望看到突变如何影响基因的状态、表达、频率等。

就目前而言，在将健康细胞与突变或患病细胞进行比较之前，尽可能清楚地了解它们是如何工作的，这一点很重要。

“第一步是预测这个基线模型，看看我们绘制的网络是否有意义，”蔡说。“现在，我们可以从那里继续前进。”