Tittar på Quantum Computing för att dechiffrera genreglerande nätverk från encellsdata – inuti Quantum Technology

En ny Naturkvantinformation papper undersöker hur kvantberäkning påverkar genreglering. Gene Regulatory Networks (GRNs) är avgörande för att förstå de reglerande sambanden mellan gener i biologiska system. Dessa nätverk hjälper till att studera transkriptionell reglering och den molekylära grunden för regleringsmekanismer, som är avgörande för att förstå genfunktioner i cellulära aktiviteter. Representerade som grafer illustrerar GRN:er interaktionerna mellan transkriptionsfaktorer och deras mål. Encellsteknologier, särskilt encellig RNA-sekvensering (scRNA-seq), har avsevärt förbättrat vår förmåga att studera biologi i en aldrig tidigare skådad skala och upplösning. Dessa tekniker mäter genuttryck i tusentals celler, vilket ger en mängd data för att konstruera mer exakta GRN. Men traditionella beräkningsmetoder, som förlitar sig på statistiska tillvägagångssätt som korrelation, regression och Bayesianska nätverk, har begränsningar, särskilt när det gäller att fånga samtidiga, interregulatoriska kopplingar mellan alla gener.

Quantum Computing i biologi och GRN-modellering:

Quantum computing, erkänd för sin potential inom olika områden, erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att modellera GRN. Kvantealgoritmer kan potentiellt överträffa klassiska metoder i specifika beräkningar genom att utnyttja superpositions- och intrasslingsfenomen. Införandet av en kvantenkelcells-GRN (qscGRN)-modelleringsmetod förbättrar denna domän avsevärt. Denna metod använder ett parametriserat kvantkretsramverk för att härleda biologiska GRN från scRNA-seq-data. I qscGRN-modellen representeras varje gen av en qubit. Modellen består av ett kodarlager, som översätter scRNA-seq-data till en superpositionstillstånd, och regleringslager som trasslar in qubits för att simulera gen-geninteraktioner. Genom att kartlägga genuttrycksvärden på ett stort Hilbert-utrymme, använder qscGRN-modellen effektivt informationen från enskilda celler för att kartlägga regulatoriska relationer.

Tillämpning och potential för Quantum GRN-modellering:

Det kvantklassiska ramverket som används i detta tillvägagångssätt inkluderar optimeringstekniker som Laplace-utjämning och algoritmer för gradientnedstigning för att finjustera modellparametrarna. Tillämpad på riktiga scRNA-seq-datauppsättningar har denna metod visat sin förmåga att modellera genreglerande relationer effektivt, med nätverket som återvunnits från kvantkretsen som visar överensstämmelse med tidigare publicerade GRN. Den framgångsrika tillämpningen av denna modell på humana lymfoblastoidceller, med fokus på gener involverade i medfödd immunitetsreglering, illustrerar dess potential. Modellen förutspådde inte bara regulatoriska interaktioner mellan gener utan uppskattade också styrkan hos dessa interaktioner.

Framtida konsekvenser och forskningsanvisningar för genreglering:

Integrationen av kvantberäkning i biologin, särskilt i GRN-modellering, visar löfte om att överträffa begränsningarna för konventionella statistiska metoder. Denna metod ger en djupare förståelse av encelliga GRN genom att effektivt närma sig sammankopplade geners relationer. Resultaten uppmuntrar ytterligare utforskning av att skapa kvantalgoritmer som använder encellsdata, vilket signalerar en ny gräns i skärningspunkten mellan kvantberäkning och biologi. Detta genombrott banar väg för framtida forskning och kan revolutionera vårt förhållningssätt till att förstå komplexa biologiska system på molekylär nivå.

Kenna Hughes-Castleberry är chefredaktör på Inside Quantum Technology och Science Communicator på JILA (ett partnerskap mellan University of Colorado Boulder och NIST). Hennes skrivbeats inkluderar deep tech, quantum computing och AI. Hennes arbete har visats i Scientific American, Discover Magazine, New Scientist, Ars Technica och mer.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/looking-at-quantum-computing-in-deciphering-gene-regulatory-networks-from-single-cell-data/