Американські науковці з компаній IBM та Moderna успішно провели квантове моделювання складної вторинної структури молекули мРНК, що складається з 60 нуклеотидів. Це стало новим рекордом для квантових обчислень у сфері біохімії, адже до цього моменту найдовша змодельована на квантовому комп’ютері мРНК містила лише 42 нуклеотиди.
Про це розповідає ProIT
Особливості мРНК та складності моделювання
Матрична рибонуклеїнова кислота (мРНК) є ключовою молекулою для перенесення генетичної інформації від ДНК до рибосом, де відбувається синтез білків. Вона активно використовується для створення вакцин, що формують специфічну імунну відповідь. Унікальність мРНК полягає у її здатності формувати складну тривимірну структуру через серію згортань ланцюга, які визначають функціональність молекули.
Зі збільшенням довжини послідовності мРНК кількість варіантів згортання зростає експоненційно. Це ускладнює точне прогнозування її форми, особливо коли йдеться про так звані «псевдовузли» — особливі структури, які створюють додаткові виклики для моделювання через складні внутрішні взаємодії.
Інноваційні підходи до квантового моделювання
Дотепер прогнозування структури мРНК здійснювали переважно класичні комп’ютери та моделі штучного інтелекту, наприклад AlphaFold від Google DeepMind. Однак ці системи мають обмеження, зокрема щодо моделювання складних елементів на кшталт псевдовузлів, що обмежує точність результатів.
В експерименті 2024 року команда IBM та Moderna використала квантовий процесор R2 Heron, застосувавши алгоритми квантового моделювання на основі кубітів. Для дослідження вторинної структури мРНК довжиною 60 нуклеотидів було задіяно 80 із 156 доступних кубітів. Науковці використали варіаційний квантовий алгоритм, розроблений на основі принципу умовної цінності під ризиком, який застосовується у фінансових розрахунках та для аналізу складних взаємодій.
«Розуміння і прогнозування найдрібніших деталей структури білків молекули мРНК має ключове значення для розробки більш надійних прогнозів і більш ефективних вакцин на базі мРНК. Дослідники сподіваються подолати обмеження, притаманні найпотужнішим суперкомп’ютерам та моделям ШІ».
Для підвищення точності експерименту застосували сучасні методи виправлення помилок, що дозволило зменшити вплив шуму, викликаного квантовими флуктуаціями. Крім того, у попередніх експериментах науковці змогли віртуально використати до 354 кубітів, хоча й в умовах відсутності шуму.
Автори дослідження відзначають, що подальше масштабування кількості кубітів і вдосконалення алгоритмів дозволить підвищити точність моделювання й прогнозування для ще довших послідовностей мРНК. Водночас, це потребує розвитку нових технологій інтеграції таких складних алгоритмів у сучасне квантове обладнання.
Результати дослідження опубліковані на платформі препринтів arXiv.