經(jīng)典-量子混合框架使用qscGRN模型來推斷相應(yīng)的生物基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

在最近的一項(xiàng)交叉學(xué)科研究中，美國得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員展示了量子計(jì)算在基因研究中的輔助作用，并利用它來發(fā)現(xiàn)科學(xué)家以前無法檢測到的基因之間的新聯(lián)系。

?他們 的項(xiàng)目使用了新的計(jì)算技術(shù)來描繪基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（ GRNs），該網(wǎng)絡(luò)可以提供基因之間如何相互激活或失活的信息。

該研究成果發(fā)表在《Nature》系列期刊《量子信息》上，量子計(jì)算將幫助科學(xué)家更準(zhǔn)確地預(yù)測基因之間的關(guān)系，這將對(duì)動(dòng)物和人類醫(yī)學(xué)產(chǎn)生巨大影響。

“基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)就像一張地圖，為我們揭示基因之間如何相互影響，” James J.? Cai 說， “例如，如果一個(gè)基因開啟或關(guān)閉，那么它可能會(huì)對(duì)另一個(gè)基因產(chǎn)生影響，而這些被影響的基因又可能進(jìn)一步影響其他三個(gè)、五個(gè)或二十個(gè)以上的基因?！?他說： “相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算 基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式使我們能捕獲到 基因之間更復(fù)雜的關(guān)系，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些未知基因之間的聯(lián)系。一些專門研究細(xì)胞類型的研究人員在閱讀了我們的論文后，意識(shí)到使用量子計(jì)算進(jìn)行預(yù)測比傳統(tǒng)模型更符合他們的預(yù)期?！?對(duì)于那些致力于探尋阻止有害細(xì)胞侵蝕或促進(jìn)有益細(xì)胞生長方法的科學(xué)家而言 ，掌握那些具備影響其他基因能力的基因信息，無疑是至關(guān)重要的。 “如果能通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測基因表達(dá)，并了解這些變化是如何轉(zhuǎn)化為細(xì)胞狀態(tài)的，我們或許能控制某些結(jié)果，” James J.? Cai 說，“例如，改變某個(gè)基因的表達(dá)方式可能最終會(huì)抑制癌細(xì)胞的生長。 ”

充分利用量子技術(shù)

通常用傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)繪制基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖，但傳統(tǒng)技術(shù)具有局限性，James J.Cai博士和他的團(tuán)隊(duì)正在通過量子計(jì)算克服這一挑戰(zhàn)。 “在使用量子計(jì)算之前，算法一次只能比較兩個(gè)基因?！盝ames J.Cai說。 James J. Cai解釋說，僅僅成對(duì)比較基因可能會(huì)導(dǎo)致誤導(dǎo)性的結(jié)論，因?yàn)榛蚩赡茉诟鼜?fù)雜的關(guān)系中相互作用。例如，如果基因A被激活，基因B也被激活，這并不一定意味著是基因A導(dǎo)致了基因B的變化。事實(shí)上，這可能是由于基因C的作用，改變了兩個(gè)基因的狀態(tài)。 James J. Cai表示：“在傳統(tǒng)的計(jì)算過程中，數(shù)據(jù)通常以比特的形式進(jìn)行處理，比特僅有兩種狀態(tài)，即開和關(guān)，或1和0。然而，通過量子計(jì)算，我們得以擁有一種稱為疊加的狀態(tài)，這種狀態(tài)可以同時(shí)處于開啟和關(guān)閉的狀態(tài)。這為我們提供了一種新的比特——量子比特?！?

“通過疊加狀態(tài)，我可以同時(shí)模擬基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中某一基因的活性和非活性狀態(tài)，以及該單個(gè)基因?qū)ζ渌虻挠绊?，”他說，“最終，我們能更全面地了解基因之間如何相互影響?！?/p>

下一步規(guī)劃

雖然James J. Cai和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)努力證明量子計(jì)算在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，但仍需進(jìn)行大量工作以進(jìn)一步推進(jìn)這一領(lǐng)域的發(fā)展。 “這是一個(gè)非常新的領(lǐng)域，”James J. Cai說，“大多數(shù)從事量子計(jì)算工作的人具備物理學(xué)背景，而生物學(xué)領(lǐng)域的人通常對(duì)量子計(jì)算的工作原理缺乏理解，要在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮量子計(jì)算的更大作用，雙方必須加強(qiáng)相互理解?！?這就是為什么這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)既包括生物醫(yī)學(xué)科學(xué)家，也包括工程師，比如James J.Cai的學(xué)生Cristhian Roman Vicharra，他是這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵成員之一，也是最近發(fā)表的相關(guān)研究背后的領(lǐng)頭人。 “在未來，我們計(jì)劃對(duì)比健康細(xì)胞與存在疾病或突變的細(xì)胞之間的差異，”James J. Cai說，“我們期望深入探究突變細(xì)胞對(duì)基因狀態(tài)、表達(dá)及頻率等方面的影響?！?目前，在將健康細(xì)胞與突變細(xì)胞或患病細(xì)胞進(jìn)行比較之前，盡可能清楚地了解健康細(xì)胞的工作原理是至關(guān)重要的。 “第一步是要對(duì)這一基準(zhǔn)模型進(jìn)行預(yù)測，以確認(rèn)我們所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)是否具有實(shí)際意義，”James J. Cai說，“目前，第一步已經(jīng)順利完成，接下來，我們將繼續(xù)開展后續(xù)的研究工作?！?

編譯：琳夢(mèng)

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。