Kuantum Bilgisayar İlk Kez Bir Virüs Genomunu Okudu

Hızlı Erişim / İçindekiler

• Virüs Genomu Kuantum Sisteme Nasıl Aktarıldı?
• Klasik Bilgisayarların Zorlandığı Nokta
• Pangenomlar Neden Önemli?
• Gelecekte Neler Değişebilir?

Kuantum bilgisayarlar yıllardır teknoloji dünyasının en iddialı araştırma alanlarından biri olarak görülüyor. Buna rağmen bugüne kadar yapılan çalışmaların önemli bölümü teorik hesaplamalar veya sınırlı ölçekli deneylerle sınırlı kaldı. Şimdi ise araştırmacılar, bu teknolojiyi doğrudan biyolojik veriler üzerinde kullanarak dikkat çekici bir kilometre taşına ulaştı.

Uluslararası bir araştırma ekibi, hepatit D virüsünün tüm genomunu kuantum bilgisayarların işleyebileceği bir formata dönüştürmeyi başardı. Çalışma kapsamında gerçek bir genetik veri seti ilk kez kuantum donanımı üzerinde analiz edilebilir hale getirildi. Araştırmacılara göre bu gelişme, kuantum hesaplama ile genom bilimi arasındaki mesafeyi ciddi biçimde azaltan bir adım niteliğinde.

Proje, insan sağlığı alanında kuantum teknolojilerinin kullanımını hızlandırmayı amaçlayan Quantum for Bio (Q4Bio) programı kapsamında gerçekleştirildi. Çalışmada IBM'in 156 kübitlik Heron kuantum işlemcisi kullanıldı.

Virüs Genomu Kuantum Sisteme Nasıl Aktarıldı?

Bir genomun kuantum bilgisayara yüklenmesi kulağa basit gelebilir. Ancak işin teknik tarafı oldukça karmaşık. DNA veya RNA dizileri normalde A, C, G ve T ya da U harflerinden oluşan uzun genetik kodlar halinde saklanır. Kuantum bilgisayarlar ise bilgiyi kübit adı verilen kuantum durumlarıyla işler.

Bu nedenle araştırmacıların ilk görevi genetik veriyi kuantum sistemlerin anlayabileceği yeni bir yapıya dönüştürmek oldu. Wellcome Sanger Institute ekibi, hepatit D virüsünün genomunu kuantum uyumlu bir veri modeline çevirdi. Böylece kuantum algoritmaları yalnızca teorik örnekler üzerinde değil, gerçek biyolojik bilgiler üzerinde de çalışabilir hale geldi.

Seçilen virüs rastgele belirlenmedi. Hepatit D virüsü, yaklaşık 1700 nükleotidden oluşan oldukça küçük bir RNA genomuna sahip. Buna rağmen yapısal olarak karmaşık özellikler taşıyor ve hızlı mutasyona uğrayabiliyor. Araştırmacılar bu nedenle hem yönetilebilir hem de biyomedikal açıdan anlamlı bir test ortamı elde etmiş oldu.

Çalışma sırasında genom verilerinin kodlanması, dizi hizalama işlemleri, pangenom oluşturma ve evrimsel ilişki analizleri gibi genom biliminin temel süreçleri gerçek kuantum donanımı üzerinde test edildi.

Klasik Bilgisayarların Zorlandığı Nokta

Günümüzün en güçlü süper bilgisayarları bile bazı biyolojik veri kümeleri karşısında ciddi hesaplama yükleriyle karşılaşıyor. Özellikle farklı bireylerden elde edilen milyonlarca genetik varyasyon aynı anda incelendiğinde işlem maliyeti hızla büyüyor.

Oxford Üniversitesi'nden Sergii Strelchuk, pangenom çalışmalarını karmaşık bir labirente benzetiyor. Genetik farklılıklar arttıkça bu labirent daha da büyüyor ve klasik bilgisayarların izlemesi gereken olası yolların sayısı katlanarak yükseliyor.

İşte kuantum bilgisayarların vaat ettiği avantaj burada ortaya çıkıyor. Kuantum sistemler belirli problemlerde aynı anda çok sayıda olasılığı değerlendirebiliyor. Bu özellik, büyük ölçekli genom karşılaştırmalarında teorik olarak ciddi hız kazanımları sağlayabilir.

Araştırmacılar özellikle çok sayıda varyasyon içeren genom haritalarında kuantum algoritmalarının gelecekte klasik sistemlerin ulaşmakta zorlanacağı performans seviyelerine çıkabileceğini düşünüyor.

Pangenomlar Neden Önemli?

Genom araştırmaları uzun yıllar boyunca tek bir referans genom üzerinden yürütüldü. Ancak her insanın genetik yapısında farklılıklar bulunuyor. Bu nedenle modern genomik araştırmaları artık pangenom adı verilen daha kapsamlı veri yapıları kullanıyor.

Pangenom, aynı türün farklı bireylerinden elde edilen genetik bilgilerin tek bir sistem içinde birleştirilmesiyle oluşturuluyor. Böylece yalnızca ortak genetik özellikler değil, nadir varyasyonlar da analiz edilebiliyor.

Fakat yeni genomlar sisteme eklendikçe veri yapısı hızla büyüyor. Temsil edilmesi gereken varyasyon miktarı arttıkça hesaplama maliyeti de yükseliyor. Araştırmacılara göre kuantum hesaplama teknolojisinin en güçlü kullanım alanlarından biri tam olarak bu problem olabilir.

Bu nedenle çalışma yalnızca bir virüs genomunun aktarılmasından ibaret görülmüyor. Asıl hedef, gelecekte devasa pangenom veri kümelerinin kuantum sistemler üzerinde analiz edilmesi.

Gelecekte Neler Değişebilir?

Daha hızlı genom analizleri bulaşıcı hastalıkların takibinden kalıtsal hastalıkların araştırılmasına kadar geniş bir yelpazede yeni fırsatlar sunabilir. Bir salgın sırasında ortaya çıkan mutasyonların çok daha kısa sürede tespit edilmesi ya da nadir genetik bozukluklara neden olan değişimlerin daha hızlı bulunması mümkün hale gelebilir.

Araştırmacılar ayrıca hastalıklarla ilişkili genetik mutasyonların belirlenmesi konusunda da kuantum teknolojilerinin önemli katkılar sağlayabileceğini düşünüyor. Özellikle çok büyük veri kümelerinin karşılaştırılmasını gerektiren çalışmalar bu alanda öne çıkıyor.

Bununla birlikte uzmanlar temkinli davranıyor. Kuantum bilgisayarların biyoloji ve tıp alanlarında günlük kullanım seviyesine ulaşması için hâlâ zamana ihtiyaç olduğu belirtiliyor. Mevcut sistemler umut verici sonuçlar verse de teknolojinin olgunlaşması ve daha güçlü donanımların geliştirilmesi gerekiyor.

Araştırma ekibinin sonraki hedeflerinden biri, bilim insanlarının genom verilerini yükleyebileceği ve analiz sırasında klasik ya da kuantum yöntemler arasında seçim yapabileceği erişilebilir bir platform oluşturmak. Böyle bir sistem hayata geçirilirse kuantum hesaplama laboratuvarlardan çıkıp daha geniş araştırma topluluklarının kullanımına açılabilir.

Bugün için hepatit D virüsünün genomunun kuantum bilgisayara aktarılması sembolik bir başarı gibi görünebilir. Ancak bilgisayar tarihine bakıldığında, büyük dönüşümler çoğu zaman küçük görünen ilk adımlarla başladı. Bu çalışma da genom araştırmalarında benzer bir dönemin başlangıcı olarak anılabilir.

Kaynak: Wellcome Sanger Institute Genome loaded onto a quantum computer in world first

Kaynak: Wellcome Leap Quantum for Bio (Q4Bio) Program

Kaynak: PubMed / Science First genome loaded on a quantum computer

Kaynak: Live Science In a first, scientists translated an entire viral genome so a quantum computer could read and analyze it

BilimBox Yorumu: Kuantum bilgisayarlarla ilgili haberlerin önemli bir kısmı yıllardır teorik vaatler etrafında şekilleniyor. Bu nedenle birçok kişi için kuantum teknolojileri hâlâ günlük yaşamdan uzak bir araştırma alanı gibi görünüyor. Bu çalışmayı farklı kılan nokta ise gerçek bir biyolojik verinin doğrudan kuantum sistem üzerinde işlenebilmiş olması. Elbette bugün bir kuantum bilgisayarın hastalık teşhisi koyduğu veya ilaç geliştirdiği bir noktada değiliz. Ancak genom bilimi her geçen yıl daha büyük veri yığınları üretirken mevcut hesaplama yöntemlerinin sınırları da görünür hale geliyor. Eğer kuantum sistemler bu karmaşıklığı yönetebilecek düzeye ulaşırsa yalnızca biyoloji değil, tıbbın birçok alanı da farklı bir hız kazanabilir. Şimdilik bu gelişme bir başlangıç niteliğinde. Yine de gelecekte genom analizlerinin nasıl yapılacağını etkileyebilecek türden bir başlangıç.