量子计算机是基因组分析的未来吗

DNA测序技术，即确定DNA分子中核苷酸碱基的顺序，是个性化医疗和疾病诊断的核心，但即使是最快的技术也需要数小时或数天才能读取完整的序列。现在，由大阪大学科学与工业研究所 (SANKEN) 领导的一个多机构研究小组开发了一种技术，可以为基因组分析带来新的范式。

DNA 序列是核苷酸碱基的顺序排列，即编码对生物体正常运作至关重要的信息的四个“字母”。例如，改变人类基因组中数十亿个核苷酸对中的一个核苷酸的身份就可能导致严重的健康状况。因此，快速可靠地读取 DNA 序列的能力对于一些紧急的护理决策至关重要，例如如何进行特定的化疗治疗。不幸的是，基因组分析对于经典计算机来说仍然具有挑战性，正是在这种背景下，量子计算机显示出了希望。量子计算机使用量子比特代替经典计算机的“0”和“1”，有助于计算速度呈指数级增长。

在最近发表在《物理化学杂志 B》上的一项研究中，研究人员旨在使用量子计算机将腺苷与其他三种核苷酸分子区分开来。使用量子编码来识别单核苷酸分子是实现 DNA 测序最终目标必要的第一步，而这正是研究人员寻求解决的问题。

“使用量子电路，我们展示了如何仅从单个分子的测量数据中检测核苷酸，”该研究的主要作者 Masateru Taniguchi 解释道。“这是量子计算机首次连接到单个分子的测量数据，并证明了使用量子计算机进行基因组分析的可行性。”

研究人员使用电极之间具有纳米级间隙来检测单个核苷酸。单磷酸腺苷核苷酸的电流输出与时间的关系与其他三种核苷酸不同。这是因为核苷酸和电极之间的电子传导路径取决于核苷酸的化学结构。这是设计量子门的基础，量子门充当每个核苷酸的分子指纹。

“电导的变化取决于每个核苷酸独特的分子旋转模式，”该研究的资深作者 Tomofumi Tada 说。“在目前的设置中，将单磷酸腺苷与其他三种核苷酸区分开来并不一定是简单的，但通过为这些其他核苷酸设计量子门也可以实现 DNA 测序。”

这项工作具有广泛且令人兴奋的潜在应用：药物发现、癌症诊断和传染病研究方面的进展是超快速基因组分析的出现所预期的几个例子。

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