النظر إلى الحوسبة الكمومية في فك رموز الشبكات التنظيمية الجينية من بيانات الخلية الواحدة – داخل تكنولوجيا الكم

جديد معلومات كمية الطبيعة ورقة يدرس كيفية تأثير الحوسبة الكمومية على تنظيم الجينات. الشبكات التنظيمية الجينية (GRNs) ضرورية لفهم العلاقات التنظيمية بين الجينات في النظم البيولوجية. تساعد هذه الشبكات في دراسة التنظيم النسخي والأساس الجزيئي للآليات التنظيمية، والتي تعتبر ضرورية لفهم وظائف الجينات في الأنشطة الخلوية. تمثل GRNs، ممثلة في الرسوم البيانية، التفاعلات بين عوامل النسخ وأهدافها. لقد ساهمت تقنيات الخلية الواحدة، وخاصة تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) للخلية الواحدة (scRNA-seq)، في تطوير قدرتنا بشكل كبير على دراسة علم الأحياء على نطاق ودقة غير مسبوقين. تقيس هذه التقنيات التعبير الجيني في آلاف الخلايا، مما يوفر ثروة من البيانات لبناء شبكات GRN أكثر دقة. ومع ذلك، فإن الأساليب الحسابية التقليدية، التي تعتمد على الأساليب الإحصائية مثل الارتباط، والانحدار، والشبكات الافتراضية، لها قيود، خاصة في التقاط الاتصالات المتزامنة والتنظيمية بين جميع الجينات.

الحوسبة الكمومية في علم الأحياء ونمذجة GRN:

تقدم الحوسبة الكمومية، المعترف بها لإمكاناتها في مختلف المجالات، نهجًا جديدًا لنمذجة GRNs. خوارزميات الكم يمكن أن تتفوق على الأساليب الكلاسيكية في حسابات محددة من خلال الاستفادة من ظواهر التراكب والتشابك. إن تقديم طريقة نمذجة GRN أحادية الخلية الكمومية (qscGRN) يؤدي إلى تقدم كبير في هذا المجال. تستخدم هذه الطريقة إطار دائرة كمومية ذات معلمات لاستنتاج GRNs البيولوجية من بيانات scRNA-seq. في نموذج qscGRN، يتم تمثيل كل جين بواسطة كيوبت. يشتمل النموذج على طبقة تشفير تترجم بيانات scRNA-seq إلى ملف حالة التراكبوطبقات التنظيم التي تتشابك مع البتات الكمومية لمحاكاة التفاعلات بين الجينات. من خلال تعيين قيم التعبير الجيني على مساحة هيلبرت كبيرة، يستخدم نموذج qscGRN بشكل فعال المعلومات من الخلايا الفردية لرسم خريطة للعلاقات التنظيمية.

تطبيق وإمكانات نمذجة GRN الكمومية:

يشتمل الإطار الكلاسيكي الكمي المستخدم في هذا النهج على تقنيات التحسين مثل خوارزميات تجانس لابلاس ونسب التدرج لضبط معلمات النموذج. تم تطبيق هذه الطريقة على مجموعات بيانات scRNA-seq الحقيقية، وقد أثبتت قدرتها على نمذجة العلاقات التنظيمية الجينية بشكل فعال، مع إظهار الشبكة المستردة من الدائرة الكمومية الاتساق مع GRNs المنشورة مسبقًا. يوضح التطبيق الناجح لهذا النموذج على الخلايا الليمفاوية البشرية، مع التركيز على الجينات المشاركة في تنظيم المناعة الفطرية، إمكاناته. لم يتنبأ النموذج بالتفاعلات التنظيمية بين الجينات فحسب، بل قام أيضًا بتقدير قوة هذه التفاعلات.

الآثار المستقبلية والاتجاهات البحثية لتنظيم الجينات:

يُظهر دمج الحوسبة الكمومية في علم الأحياء، وتحديدًا في نمذجة GRN، نتائج واعدة في تجاوز قيود الأساليب الإحصائية التقليدية. توفر هذه الطريقة فهمًا أعمق لشبكات GRN أحادية الخلية من خلال التعامل بكفاءة مع علاقات الجينات المترابطة. تشجع النتائج على مزيد من الاستكشاف لإنشاء خوارزميات كمومية باستخدام بيانات الخلية الواحدة، مما يشير إلى حدود جديدة في تقاطع الحوسبة الكمومية وعلم الأحياء. يمهد هذا الاختراق الطريق للبحث المستقبلي ويمكن أن يحدث ثورة في نهجنا لفهم النظم البيولوجية المعقدة على المستوى الجزيئي.

كينا هيوز-كاستلبيري هي مديرة التحرير في Inside Quantum Technology ومسؤولة التواصل العلمي في JILA (شراكة بين جامعة كولورادو بولدر والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا). تشمل إيقاعاتها الكتابية التكنولوجيا العميقة والحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي. وقد ظهرت أعمالها في مجلة Scientific American، وDiscover Magazine، وNew Scientist، وArs Technica، والمزيد.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/looking-at-quantum-computing-in-deciphering-gene-regulatory-networks-from-single-cell-data/