Kolaborasi perintis telah dibentuk untuk fokus pada penggunaan komputasi kuantum untuk meningkatkan genomik. Tim ini akan mengembangkan algoritme untuk mempercepat analisis kumpulan data pangenomik, yang dapat merevolusi pengobatan yang dipersonalisasi dan pengelolaan patogen. Kredit: SciTechDaily.com
Sebuah proyek baru menyatukan para ahli terkemuka dunia dalam bidang ini komputasi kuantum dan genomik untuk mengembangkan metode dan algoritma baru untuk memproses data biologis.
Para peneliti bertujuan untuk memanfaatkan komputasi kuantum untuk mempercepat genomik, meningkatkan pemahaman kita tentang hal ini DNA dan mendorong kemajuan dalam pengobatan yang dipersonalisasi
Kolaborasi baru telah terbentuk, menyatukan tim interdisipliner terkemuka dunia dengan keterampilan di bidang komputasi kuantum, genomik, dan algoritma canggih. Mereka bertujuan untuk mengatasi salah satu masalah komputasi paling menantang dalam ilmu genomik: membangun, menambah, dan menganalisis kumpulan data pangenomik untuk sampel populasi besar. Proyek mereka berada di garis depan penelitian dalam ilmu biomedis dan komputasi kuantum.
Proyek ini, yang melibatkan para peneliti yang berbasis di Universitas Cambridge, Wellcome Sanger Institute, dan European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) milik EMBL, telah mendapatkan dana hingga US$3,5 juta untuk mengeksplorasi potensi komputasi kuantum untuk peningkatan kesehatan manusia.
Tim ini bertujuan untuk mengembangkan algoritma komputasi kuantum yang berpotensi mempercepat produksi dan analisis pangenom – representasi baru dari rangkaian DNA yang menangkap keragaman populasi. Metode mereka akan dirancang untuk dijalankan pada komputer kuantum yang sedang berkembang. Proyek ini adalah salah satu dari 12 proyek yang dipilih di seluruh dunia untuk Program Tantangan yang Didukung Wellcome Leap Quantum for Bio (Q4Bio).
Kemajuan dalam Genomik
Sejak pengurutan awal genom manusia lebih dari dua dekade lalu, genomik telah merevolusi ilmu pengetahuan dan kedokteran. Kurang dari satu persen dari 6,4 miliar huruf kode DNA berbeda dari satu manusia ke manusia lainnya, namun perbedaan genetik itulah yang membuat kita masing-masing unik. Kode genetik kita dapat memberikan wawasan tentang kesehatan kita, membantu mendiagnosis penyakit, atau memandu perawatan medis.
Namun, referensi urutan genom manusia, yang kemudian dibandingkan dengan urutan DNA manusia, didasarkan pada data dari beberapa orang saja, dan tidak mewakili keragaman manusia. Para ilmuwan telah berupaya mengatasi masalah ini selama lebih dari satu dekade, dan pada tahun 2023 referensi pangenom manusia pertama kali dihasilkan. Pangenome adalah kumpulan dari banyak rangkaian genom berbeda yang menangkap keragaman genetik dalam suatu populasi. Pangenom berpotensi diproduksi untuk semua orang jenistermasuk patogen seperti SARS-CoV-2.
Komputasi Kuantum dalam Genomik
Pangenomics, sebuah domain ilmu baru, menuntut kekuatan komputasi tingkat tinggi. Meskipun struktur genom referensi manusia yang ada bersifat linier, data pangenom dapat direpresentasikan dan dianalisis sebagai jaringan, yang disebut grafik urutan, yang menyimpan struktur bersama dari hubungan genetik antara banyak genom. Membandingkan genom individu berikutnya dengan pangenome kemudian melibatkan pemetaan rute urutannya melalui grafik.
Dalam proyek baru ini, tim bertujuan untuk mengembangkan pendekatan komputasi kuantum yang berpotensi mempercepat proses utama pemetaan data ke node grafik, dan menemukan rute yang baik melalui grafik.
Teknologi kuantum siap merevolusi komputasi berkinerja tinggi. Komputasi klasik menyimpan informasi dalam bentuk bit, yang biner — 0 atau 1. Namun, komputer kuantum bekerja dengan partikel yang dapat berada dalam superposisi keadaan berbeda secara bersamaan. Daripada bit, informasi dalam komputer kuantum diwakili oleh qubit (bit kuantum), yang dapat bernilai 0, atau 1, atau berada dalam keadaan superposisi antara 0 dan 1. Ia memanfaatkan mekanika kuantum untuk memungkinkan solusi terhadap masalah tersebut. masalah yang tidak praktis untuk diselesaikan dengan menggunakan komputer klasik.
Tantangan dan Prospek Masa Depan
Namun, perangkat keras komputer kuantum saat ini secara inheren sensitif terhadap kebisingan dan dekoherensi, sehingga meningkatkannya menghadirkan tantangan teknologi yang sangat besar. Meskipun terdapat bukti menarik dari eksperimen dan demonstrasi konsep, komputer kuantum saat ini masih terbatas dalam ukuran dan daya komputasi, sehingga membatasi penerapan praktisnya. Namun kemajuan perangkat keras kuantum yang signifikan diperkirakan akan muncul dalam tiga hingga lima tahun ke depan.
Wellcome Leap Q4Bio Challenge didasarkan pada premis bahwa masa-masa awal metode komputasi baru akan maju dan mendapat manfaat paling besar dari pengembangan bersama aplikasi, perangkat lunak, dan perangkat keras – yang memungkinkan optimalisasi dengan sistem awal yang belum dapat digeneralisasikan.
Berdasarkan metode genomik komputasi mutakhir, tim ini akan mengembangkan, mensimulasikan, dan kemudian mengimplementasikan algoritma kuantum baru, menggunakan data nyata. Algoritme dan metode pada awalnya akan diuji dan disempurnakan di lingkungan Komputasi Kinerja Tinggi (HPC) yang kuat dan kuat, yang akan digunakan sebagai simulasi perangkat keras komputasi kuantum yang diharapkan. Mereka akan menguji algoritme terlebih dahulu menggunakan rangkaian kecil rangkaian DNA, hingga memproses rangkaian genom yang relatif kecil seperti SARS-CoV-2, sebelum beralih ke genom manusia yang jauh lebih besar.
Perspektif Dari Tim
Sergii Strelchuk, Penyelidik Utama proyek dari Departemen Matematika Terapan dan Fisika Teoretis, Universitas Cambridge, mengatakan: “Struktur dari banyak masalah yang menantang dalam genomik komputasi dan pangenomics khususnya menjadikannya kandidat yang cocok untuk percepatan yang dijanjikan oleh komputasi kuantum . Kami sedang dalam perjalanan yang mendebarkan untuk mengembangkan dan menerapkan algoritma kuantum yang disesuaikan dengan data genom untuk mendapatkan wawasan baru, yang tidak dapat dicapai dengan menggunakan algoritma klasik.”
David Holland, Administrator Sistem Utama di Wellcome Sanger Institute, yang berupaya menciptakan lingkungan Komputasi Kinerja Tinggi untuk mensimulasikan komputer kuantum, mengatakan: “Kami baru saja menyentuh permukaan komputasi kuantum dan pangenomics. Jadi menyatukan kedua dunia ini sangatlah menarik. Kami tidak tahu persis apa yang akan terjadi, namun kami melihat peluang besar untuk kemajuan besar. Kami melakukan hal-hal hari ini yang kami harap akan membuat hari esok lebih baik.”
David Yuan, Pimpinan Proyek di EMBL-EBI, mengatakan: “Di satu sisi, kami memulai dari awal karena kami bahkan belum tahu bagaimana merepresentasikan pangenome dalam lingkungan komputasi kuantum. Jika dibandingkan dengan pendaratan pertama di bulan, proyek ini setara dengan merancang roket dan melatih para astronot. Di sisi lain, kita memiliki dasar yang kuat, berdasarkan data genomik yang dianotasi secara sistematis selama beberapa dekade yang dihasilkan oleh para peneliti di seluruh dunia dan disediakan oleh EMBL-EBI. Fakta bahwa kami menggunakan pengetahuan ini untuk mengembangkan alat generasi berikutnya untuk ilmu kehidupan, merupakan bukti pentingnya data terbuka dan ilmu kolaboratif.”
Potensi manfaat dari pekerjaan ini sangat besar. Membandingkan genom manusia tertentu dengan pangenom manusia – dibandingkan dengan genom referensi manusia yang sudah ada – memberikan wawasan yang lebih baik tentang komposisi uniknya. Hal ini penting dalam memajukan pengobatan yang dipersonalisasi. Pendekatan serupa terhadap genom bakteri dan virus akan mendukung pelacakan dan pengelolaan wabah patogen.
Proyek ini didanai oleh Program Tantangan yang Didukung Wellcome Leap Quantum for Bio (Q4Bio).
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
