量子计算机是基因组分析的未来吗?

　　大阪大学的研究人员展示了利用量子计算识别单核苷酸的概念验证。在两个电极之间的纳米尺度间隙内，分子旋转模式和相应的电导率变化使核苷酸单磷酸腺苷的量子门得以发展。开发其他三种核苷酸的量子门，并将这项技术纳入DNA测序工作流程，可能会给基因组分析带来革命性的变化。

　　

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已经开发出一种技术，可能会导致基因组分析的新范式。

DNA序列是核苷酸碱基的顺序排列，即四个“字母”，它们编码的信息对生物体的正常运作是无价的。例如，在人类基因组几十亿对核苷酸中，仅仅改变一个核苷酸的身份就可能导致严重的疾病。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，而在这种情况下，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”，从而促进了计算速度的指数级增长。

在最近发表在《物理化学杂志B》(Journal of Physical Chemistry B)上的一项研究中，研究人员旨在利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个核苷酸分子是实现DNA测序最终目标的必要的第一步，这也是研究人员试图解决的问题。

“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，”该研究的主要作者谷口雅特解释说。“这是量子计算机首次连接到单个分子的测量数据，并证明了在基因组分析中使用量子计算机的可行性。”

研究人员使用电极之间有纳米级的间隙来检测单个核苷酸。输出电流与时间的腺苷单磷酸核苷酸不同于其他三个核苷酸。这是因为电子在核苷酸和电极之间的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，它可以作为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，从其他三种核苷酸中区分单磷酸腺苷并不一定是直接的，但通过为这些其他核苷酸设计量子门，DNA测序也可能成为可能。”

这项工作具有广泛而令人兴奋的潜在应用:随着超快速基因组分析的出现，在药物发现、癌症诊断和传染病研究方面的进展是一些值得期待的例子。

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Single-Molecule Identification of Nucleotides Using a Quantum Computer