Załadowali pełny genom wirusa na komputer kwantowy. Nowa era bioinformatyki

Mechanika kwantowa łączy się z genetyką w pionierskim przedsięwzięciu. Wellcome Sanger Institute, wiodący instytut badawczy specjalizujący się w dziedzinie genomiki z Cambridge (Wielka Brytania), ogłosił przełomowe osiągnięcie. Pierwszy raz w historii naukowcy zakodowali i wgrali do komputera kwantowego pełny genom. W tym przypadku należy on do wirusa zapalenia wątroby typu D (ang. Hepatitis D Virus - HDV). Zostało to zrealizowane w ramach programu Quantum for Bio (Q4Bio) o wartości 50 milionów dolarów, finansowany przez fundację Wellcome Leap.

Badacze pracujący przy projekcie Quantum Pangenomics musieli zmierzyć się z ogromnymi wyzwaniami technicznymi, jako że dzisiejsze komputery kwantowe są wciąż niestabilne i podatne na błędy. Zespół pod kierownictwem dr. Sergii Strelchuka z Uniwersytetu w Oksfordzie opracował nowatorskie algorytmy kompresji danych, które pozwoliły na efektywne zapisanie genomu w formie informacji kwantowej.

Wybór padł na wirusa HDV ze względu na jego kompaktowy rozmiar (ok. 1700 zasad RNA), co pozwoliło na zmieszczenie danych w 117 kubitach procesora IBM Heron. Choć pierwotnie planowano wykorzystanie bakteriofaga ΦX174, jego sekwencja wymagałaby niemal 400 kubitów, co wykracza poza możliwości sprzętu, którym dysponują badacze.

Po co właściwie umieszczać kompletną informację genetyczną wirusa w komputerze kwantowym? Nie chodzi jedynie o pokaz możliwości współczesnej bioinformatyki, lecz także o zastosowania praktyczne w medycynie. W przypadku tej technologii naukowcy pokładają szczególną nadzieję w analizie tzw. pangenomów, które zamiast jednej liniowej sekwencji referencyjnej oddają całą różnorodność genetyczną wewnątrz gatunku. Tradycyjne metody obliczeniowe, jakimi dysponują superkomputery oparte na krzemie, gubią się w ogromnej złożoności takich danych, trafiając w ślepe zaułki. Maszyny kwantowe mogą o wiele sprawniej wydobywać cenne dla nauki wniosku z gąszczu danych.

"Naszym celem od zawsze jest przesuwanie granic tego, co możliwe w genomice. Gdy pracujemy z pangenomami, informacja jest prezentowana w formie splątanego labiryntu, ale my budujemy algorytmy kwantowe, które pomagają odnaleźć najlepszą drogę w tym labiryncie, podczas gdy zwykłe narzędzia, takie jak klasyczne komputery, po prostu grzęzną bez wyjścia" - tłumaczy dr Sergii Strelchuk, ekspert informatyki kwantowej z Oxfordu.

To właśnie zdolność komputerów kwantowych do operowania na superpozycjach daje im teoretyczną przewagę w przeszukiwaniu ogromnej liczby kombinacji jednocześnie. Zdolność tę starają się wykorzystać także naukowcy z innych dziedzin, aby rozwiązywać problemy do tej pory zbyt skomplikowane dla klasycznych komputerów.

Mimo przełomu, jakiego dokonali naukowcy z Instytutu Sangera, Oksfordu, Cambridge i Melbourne, eksperci zachowują zdrowy, naukowy sceptycyzm. W rozmowach z prestiżowym "Science" padły głosy, że proces ładowania danych jest wciąż niezwykle mozolny i często równie trudny, co same obliczenia, zaś mimo rosnącej przewagi kwantowej klasyczne algorytmy są wciąż niezwykle potężne.

Samo już jednak udowodnienie, że realne dane biologiczne można przenieść do środowiska kwantowego, jest uznawane za symboliczny moment zwrotny. Dr Shihan Sajeed z Wellcome Leap porównał to wagę tego osiągnięcia do pionierskich prac sprzed pół wieku.

"W latach 70., sekwencjonując pierwszy kompletny genom DNA, Fred Sanger i jego zespół ustanowił moment 'Hello World' w klasycznej genomice. Blisko 50 lat później zespół Oxford-Sanger kładzie fundamenty pod kolejny moment 'Hello World', dekodując i ładując pełny genom do komputera - tyle że tym razem kwantowego" - komentuje ekspert, nawiązując do słynnych słów używanych w programowaniu, porównywanych do wetknięcia flagi na nowo zdobytym terytorium.

Co dalej? Sukces na polu bioinformatyki kwantowej otwiera drogę do przyszłych zastosowań w medycynie personalizowanej, szybszego śledzenia chorób zakaźnych czy identyfikacji rzadkich mutacji genetycznych. Choć kwantowa analiza pełnego ludzkiego genomu, liczącego miliardy par zasad, pozostaje względnie odległą wizją, badacze planują skupić się najpierw na krótszych, ale kluczowych medycznie fragmentach DNA.

"Jest to przełomowy punkt zarówno dla genomiki, jak i informatyki kwantowej. Z powodzeniem ładując genom Hepatitis D do komputera kwantowego, przygotowaliśmy grunt pod przyszłe badania z zakresu genomiki kwantowej. Zademonstrowaliśmy bowiem, że prawdziwe dane mogą być przetłumaczone do formy, która te potężne maszyny mogą przetwarzać" - wyjaśnia dr James McCafferty z Wellcome Sanger Institute.

Kolejnym etapem ma być stworzenie platformy online, która pozwoli naukowcom na przesyłanie własnych danych sekwencyjnych i wybieranie między klasycznymi a kwantowymi metodami ich analizy.

Źródła:

1. Commiunications Team. Genome loaded onto a quantum computer in world first. Wellcome Sanger Institute (2026).
2. Offord C. First complete genome loaded onto a quantum computer. Science (2026). DOI: 10.1126/science.z9ookm7