发表《Nature》！美国研究团队成功利用量子计算精准预测基因关系

经典-量子混合框架使用qscGRN模型来推断相应的生物基因调控网络（图片来源：网络）

在最近的一项交叉学科研究中，美国得克萨斯农工大学的研究人员展示了量子计算在基因研究中的辅助作用，并利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 的项目使用了新的计算技术来描绘基因调控网络（ GRNs），该网络可以提供基因之间如何相互激活或失活的信息。

该研究成果发表在《Nature》系列期刊《量子信息》上，量子计算将帮助科学家更准确地预测基因之间的关系，这将对动物和人类医学产生巨大影响。

“基因调控网络就像一张地图，为我们揭示基因之间如何相互影响，” James J.  Cai 说， “例如，如果一个基因开启或关闭，那么它可能会对另一个基因产生影响，而这些被影响的基因又可能进一步影响其他三个、五个或二十个以上的基因。” 他说： “相较于传统计算机，量子计算 基因调控网络的构建方式使我们能捕获到 基因之间更复杂的关系，我们已经发现了一些未知基因之间的联系。一些专门研究细胞类型的研究人员在阅读了我们的论文后，意识到使用量子计算进行预测比传统模型更符合他们的预期。” 对于那些致力于探寻阻止有害细胞侵蚀或促进有益细胞生长方法的科学家而言 ，掌握那些具备影响其他基因能力的基因信息，无疑是至关重要的。 “如果能通过基因调控网络来预测基因表达，并了解这些变化是如何转化为细胞状态的，我们或许能控制某些结果，” James J.  Cai 说，“例如，改变某个基因的表达方式可能最终会抑制癌细胞的生长。 ”

充分利用量子技术

通常用传统计算技术绘制基因调控网络图，但传统技术具有局限性，James J.Cai博士和他的团队正在通过量子计算克服这一挑战。 “在使用量子计算之前，算法一次只能比较两个基因。”James J.Cai说。 James J. Cai解释说，仅仅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相互作用。例如，如果基因A被激活，基因B也被激活，这并不一定意味着是基因A导致了基因B的变化。事实上，这可能是由于基因C的作用，改变了两个基因的状态。 James J. Cai表示：“在传统的计算过程中，数据通常以比特的形式进行处理，比特仅有两种状态，即开和关，或1和0。然而，通过量子计算，我们得以拥有一种称为叠加的状态，这种状态可以同时处于开启和关闭的状态。这为我们提供了一种新的比特——量子比特。”

“通过叠加状态，我可以同时模拟基因调控网络中某一基因的活性和非活性状态，以及该单个基因对其他基因的影响，”他说，“最终，我们能更全面地了解基因之间如何相互影响。”

下一步规划

虽然James J. Cai和他的团队已经努力证明量子计算在生物医学领域的应用潜力，但仍需进行大量工作以进一步推进这一领域的发展。 “这是一个非常新的领域，”James J. Cai说，“大多数从事量子计算工作的人具备物理学背景，而生物学领域的人通常对量子计算的工作原理缺乏理解，要在生物医学领域发挥量子计算的更大作用，双方必须加强相互理解。” 这就是为什么这个研究团队既包括生物医学科学家，也包括工程师，比如James J.Cai的学生Cristhian Roman Vicharra，他是这个研究团队的关键成员之一，也是最近发表的相关研究背后的领头人。 “在未来，我们计划对比健康细胞与存在疾病或突变的细胞之间的差异，”James J. Cai说，“我们期望深入探究突变细胞对基因状态、表达及频率等方面的影响。” 目前，在将健康细胞与突变细胞或患病细胞进行比较之前，尽可能清楚地了解健康细胞的工作原理是至关重要的。 “第一步是要对这一基准模型进行预测，以确认我们所构建的网络是否具有实际意义，”James J. Cai说，“目前，第一步已经顺利完成，接下来，我们将继续开展后续的研究工作。”

编译：琳梦

编辑：慕一

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