อัลกอริธึมควอนตัมใหม่สำหรับการพับโปรตีน: ปูทางไปสู่การแก้ปัญหาความลึกลับที่ใหญ่ที่สุดในชีววิทยาด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม
โปรตีนพับได้อย่างไร? นักวิจัยที่ใช้ Qiskit ได้ดำเนินการขั้นตอนแรกที่สำคัญเพื่อช่วยไขปริศนาที่สำคัญทางชีววิทยานี้ ในกระบวนการนี้ พวกเขาแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่สำคัญของการคำนวณควอนตัมเพื่อจัดการกับปัญหาในขอบเขตของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ
โปรตีนทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยตั้งแต่อย่างน้อยช่วงปลายทศวรรษที่ 1960 สายโซ่ยาวเหล่านี้ประกอบด้วยส่วนประกอบที่เรียกว่ากรดอะมิโนมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ซึ่งทำหน้าที่เป็นกลไกทางชีววิทยาที่ซับซ้อน หน้าที่ของพวกมันมีตั้งแต่การเร่งปฏิกิริยาภายในเซลล์ ไปจนถึงการสร้างโครงสร้างทางกายภาพของขน ผม เล็บ และกีบ ไปจนถึงทำหน้าที่เป็นมอเตอร์ในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อ โปรตีนจะต้องพับเป็นรูปร่างที่ซับซ้อนเพื่อทำหน้าที่เหล่านี้ โดยถูกล็อคเข้าที่โดยการเชื่อมโยงระหว่างกรดอะมิโนแต่ละตัว โปรตีนโดยทั่วไปจะพับเป็นรูปแบบสุดท้ายภายในไมโครถึงมิลลิวินาทีของการก่อตัว และไม่มีใครรู้ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร
แต่งานวิจัยชิ้นใหม่นี้โดยนักวิทยาศาสตร์ในทีม IBM Quantum อาจปูทางไปสู่การไขปริศนานี้ และคุณสามารถเริ่มทดลองด้วยเครื่องมือที่ใช้ในการวิจัยนี้ได้ด้วยตัวเองโดยใช้ Qiskit ที่นี่
ทำไมการพับโปรตีนถึงแข็งจัง
หากคุณได้รับโปรตีนที่ยังไม่ได้พับ (ความยาวประมาณ 2-3 ฟุต) และคุณต้องการพับโปรตีน คุณอาจเริ่มต้นด้วยการทดสอบวิธีการพับและเชื่อมโยงกรดอะมิโนตามสายโซ่แบบต่างๆ แต่มันจะกลายเป็นที่ชัดเจนอย่างรวดเร็วว่านี่เป็นงานที่เป็นไปไม่ได้
“ถ้าคุณต้องการตรวจสอบความเป็นไปได้ทุกประการว่าโปรตีนเชื่อมโยงกันอย่างไร นี่จะเป็นปัญหาแบบทวีคูณ” Panagiotis Barkoutsos นักวิทยาศาสตร์จาก IBM Research Zurich ผู้ซึ่งทำงานในรายงานกล่าว
ด้วยการเชื่อมโยงเพิ่มเติมแต่ละอันในห่วงโซ่ ปัญหาต้องใช้งานมากขึ้นในการแก้ไขจนกว่าจะกลายเป็นเรื่องยากทางดาราศาสตร์ นักชีววิทยาระดับโมเลกุล ไซรัส เลวินธัล คิดขึ้นในปี 1969 ว่าถ้าโปรตีนใช้วิธีการสำรวจนี้ ตรวจสอบแต่ละพับที่เป็นไปได้ในร่างกายของเรา กระบวนการพับของพวกมันจะใช้เวลานานกว่าอายุทั้งหมดของจักรวาล สิ่งนี้เรียกว่า Paradox ของ Levinthal
“มันจะใช้เวลาตลอดไป” Barkoutsos กล่าวถ้าร่างกายของเราเข้าหาปัญหาโดยการสุ่มตัวอย่างแบบคลาสสิก “แต่เซลล์ของเรามีกลไกที่ช่วยให้สามารถทำได้ในไมโครถึงมิลลิวินาที ดังนั้นต้องมีบางอย่างที่ควบคุมพลวัตของกระบวนการนี้ซึ่งเราไม่เข้าใจ”
นักวิจัยได้ค้นพบภาพบางส่วนแล้ว ในฐานะนักข่าว Sarah Everts รายงานสำหรับข่าวเคมีและวิศวกรรมในปี 2560 นักวิจัยได้ค้นพบ “พี่เลี้ยง” ทางเคมีในเซลล์ที่ดูเหมือนจะช่วยในการพับโปรตีน นอกจากนี้ยังมีหลักฐานว่าพี่เลี้ยงเหล่านี้มีบทบาทในการทำงานของโปรตีนหลังจากที่พวกมันพับแล้ว แต่ภาพที่สมบูรณ์ยังไม่ปรากฏ
การค้นหาว่าโปรตีนพับและคลี่ออกอย่างรวดเร็วได้อย่างไร ย่อมต้องใช้วิธีการที่เชื่อถือได้และรวดเร็วในการสร้างแบบจำลองการพับโปรตีนบนคอมพิวเตอร์ จนถึงตอนนี้ยังไม่มีใครจัดการงานนี้ได้
แนวทางคลาสสิกที่ยากต่อการแก้ปัญหา
คอมพิวเตอร์คลาสสิกติดอยู่กับวิธีการตรวจสอบทุกเท่าที่เป็นไปได้ในการพับโปรตีน นั่นหมายความว่า Levinthal’s Paradox มีผลบังคับใช้: ไม่มีซูเปอร์คอมพิวเตอร์ใดที่มีพลังมากพอที่จะสร้างความก้าวหน้าได้อย่างแท้จริงด้วยตัวมันเอง ทางเลือกหนึ่งสำหรับการแก้ปัญหาการสุ่มตัวอย่าง เราอาจใช้ไดนามิกของโมเลกุลแบบคลาสสิกเพื่อขับเคลื่อนกระบวนการพับ อย่างไรก็ตาม คุณภาพของสนามแรงแบบคลาสสิกที่มีอยู่ตลอดจนกำลังของคอมพิวเตอร์ที่จำเป็นในการแก้สมการการเคลื่อนที่ที่สอดคล้องกันนั้นไม่เพียงพอต่อการสร้างแบบจำลองกระบวนการพับเช่นกัน
ไปถึงกำลังการคำนวณจำเป็นต้องทำโปรตีนคลาสสิกพับวิจัยมหาวิทยาลัยสแตนฟอวิศวกรรมชีวภาพวิจัยวีเจย์ Pande พัฒนาโครงการที่เรียกว่าพับ @ Home ใครก็ตามบนอินเทอร์เน็ตสามารถดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ลงในคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์เคลื่อนที่ของตนที่เชื่อมโยงกับเครือข่าย [email protected] ทั่วโลก ซึ่งเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขนาดยักษ์ที่กระจายตัวโดยใช้พลังการประมวลผลที่ไม่ได้ใช้บนเครื่องส่วนตัวของผู้คน เครือข่ายนั้นเติบโตขึ้นจนกลายเป็นหนึ่งในระบบคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก และได้ให้ผลลัพธ์ที่สำคัญ แต่จนถึงตอนนี้ มันสามารถจำลองสายโปรตีนที่ค่อนข้างสั้นได้เท่านั้น — สายโซ่ที่เล็กกว่าโปรตีนทั่วไปที่พบในร่างกายมาก
ในที่สุด แนวทางที่ใช้ AI ก็ถูกนำมาใช้ในการทำนายโครงสร้างพับโปรตีน อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ อัลกอริธึม (ส่วนใหญ่ใช้โครงข่ายประสาทเทียม) จำเป็นต้องมีการฝึกอบรมอย่างกว้างขวางโดยใช้ฐานข้อมูลของโครงสร้างโปรตีนที่รู้จัก ซึ่งไม่จำเป็นในวิธีการสุ่มตัวอย่างแบบเดรัจฉานอย่างที่เสนอในการศึกษาของนักวิจัยของ IBM Quantum
แนวทางควอนตัม
นักวิจัยของ IBM Quantum Anton Robert, Panagiotis Barkoutsos, Stefan Woerner และ Ivano Tavernelli แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมควรสามารถจัดการกับปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป
ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์ในวารสารnpj Quantum Informationพวกเขาแสดงให้เห็นว่าอัลกอริธึมควอนตัมทั่วไปที่ใช้สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพสามารถนำไปใช้ใหม่สำหรับปัญหาการพับ และพวกเขาพับโมเดลโปรตีนบนโปรเซสเซอร์ IBM Quantum 20-qubit สำเร็จโดยใช้วิธีการใหม่ของพวกเขา
แทนที่จะใช้ทรัพยากรในการคำนวณเพื่อตรวจสอบแต่ละเท่าที่เป็นไปได้ของโปรตีน วิธีควอนตัมเข้ารหัสการซ้อนทับของวิธีการพับโปรตีนที่มีความหมายทางกายภาพทั้งหมดให้เป็นแบบจำลองแฮมิลตัน จากนั้นจึงสุ่มตัวอย่างชุดค่าผสมเหล่านี้ในเชิงสถิติเพื่อค้นหาชุดการพับที่เสถียรที่สุด
Barkoutsos กล่าวว่า “ทุกอย่างในร่างกายของเราต้องการอยู่ในการกำหนดค่าพลังงานอิสระขั้นต่ำ “มันมั่นคงที่สุด และโดยทั่วไปแล้วเราพูดโดยธรรมชาติ – ในร่างกายของเรา – ความเสถียรที่สุดคือการกำหนดค่าที่ชนะ”
ด้วยวิธีการนี้ นักวิจัยได้จำลองการพับของสายโซ่กรด 10 อะมิโนที่เรียกว่า Angiotensin ด้วยเครื่องจำลองควอนตัม 22 คิวบิต และนิวโรเปปไทด์กรดอะมิโนเจ็ดตัวบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 20 บิต
รหัสโอเพนซอร์ซอเนกประสงค์
งานนี้อาศัยอัลกอริธึม Variational Quantum Eigensolver (VQE) ที่ได้รับการดัดแปลง ซึ่งเป็นเครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพที่สำคัญในคลังแสงควอนตัม ซึ่งดึงมาจาก Qiskit Application Module
เพื่อให้เหมาะกับความต้องการของทีมการแก้ไข VQE เพื่อตัวอย่างเพียงบางส่วนของข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับปัญหาการผลิตเครื่องมือที่พวกเขาเรียกว่าเป็นเงื่อนไข Value-at-Risk (CVaR) VQE เพื่อให้สอดคล้องกับแนวคิดโอเพนซอร์สของ IBM Quantum เครื่องมือนี้พร้อมใช้งานในชุมชนQiskit นับตั้งแต่เปิดตัวQiskit Natureล่าสุด
Barkoutsos กล่าวว่าสมาชิกคนอื่น ๆ ในชุมชนควรจะสามารถนำรหัสที่ใช้ในการวิจัยนี้ไปใช้ใหม่ในแอปพลิเคชันต่างๆ “อัลกอริธึมที่เสนอนี้ใช้ได้กับพอลิเมอร์ทุกประเภท ไม่ใช่แค่โปรตีน ดังนั้น นอกเหนือจากชีววิทยาแล้ว ยังนำไปใช้ในด้านอื่นๆ เช่น เคมีพอลิเมอร์และการออกแบบวัสดุ”
การแก้ปัญหาความขัดแย้ง
การแก้ไข Paradox ของ Levinthal อย่างสมบูรณ์จะต้องให้นักวิจัยคนอื่นใช้อัลกอริทึมนี้และต่อยอด จากนั้นจึงเรียกใช้อัลกอริทึมขั้นสูงบนฮาร์ดแวร์ควอนตัมขั้นสูงที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า
ในโลกแห่งความเป็นจริง โปรตีนสามารถมีความยาวได้หลายร้อยหรือหลายพันกรดอะมิโน และพับเป็นสามมิติ บทความนี้สรุปปัญหา โดยวางโปรตีนไว้บนโครงตาข่ายทรงสี่เหลี่ยมจตุรัสสามมิติ (นั่นคือ พีระมิดสามเหลี่ยม) โดยมีอิสระในการเคลื่อนไหวอย่างจำกัด ดังนั้น งานนี้จึงเป็นการประมาณ เนื่องจากการเคลื่อนไหวสามมิติในพื้นที่ว่างนั้นยากต่อการสร้างแบบจำลองมาก จุดประสงค์ของอัลกอริธึมคือการวางรากฐานเพื่อให้ผู้คนสามารถเริ่มคิดและสร้างมันขึ้นมาได้
Barkoustos กล่าวว่ามีเหตุผลสำหรับการมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับโอกาสในระยะยาวของการวิจัยแนวนี้ “ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม ทุกครั้งที่คุณเพิ่ม qubit พิเศษ คุณจะเพิ่มพลังการประมวลผลเป็นสองเท่า ทุกๆ qubit ใหม่ คุณจะสามารถจำลองระบบที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้นได้”
หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมช่วยให้นักวิจัยสามารถจำลองการพับของโปรตีนในระดับเซลล์ที่มีชีวิตจริงได้ Barkoutsos กล่าว จากนั้นพวกเขาสามารถเริ่มแยกแยะที่ Paradox ของ Levinthal และหาวิธีที่เครื่องจักรโมเลกุลเหล่านี้พับได้อย่างรวดเร็วและทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยา ความเข้าใจด้านชีวกลศาสตร์ระดับนั้นจะนำวิทยาศาสตร์ไปที่ไหนไม่มีใครรู้
โครงการสนับสนุน Qiskit เป็นโครงการระดับโลกเพื่อสนับสนุนสมาชิกที่กระตือรือร้นที่สุดของชุมชน Qiskit ในฐานะผู้สนับสนุน คุณจะเข้าร่วมกลุ่มคนที่กระตือรือร้นที่สุดในการคำนวณควอนตัม นับตั้งแต่เปิดตัวโปรแกรมเมื่อเดือนกันยายนปีที่แล้ว ผู้คนมากกว่า 100 คนซึ่งมีภูมิหลังหลากหลายจาก 20 ประเทศได้เข้าร่วม เราทำงานร่วมกันเพื่อขยายชุมชน Qiskit จากการจัดกิจกรรมไปจนถึงการสนับสนุนโอเพนซอร์สในโค้ดของ Qiskit
ทำไมคุณควรสมัคร?
มีเหตุผลหลายประการในการสมัครเข้าร่วมโปรแกรมนี้ ที่นี่ฉันเน้นบางส่วนของพวกเขา:
- การสร้างเครือข่ายกับผู้เชี่ยวชาญและผู้สนใจ
ในฐานะผู้สนับสนุน คุณจะสามารถเข้าร่วมเซสชันสาธิตรายเดือนเพื่อแบ่งปันโครงการและแนวคิดกับผู้สนับสนุนคนอื่นๆ และทำงานร่วมกับพวกเขาในโครงการและกิจกรรมใหม่ เช่นเดียวกับผู้สนับสนุนFarai Mazhandu ที่แบ่งปันในโพสต์ของเขาโปรแกรม Qiskit Advocate นั้นเกี่ยวกับการทำงานร่วมกันและมิตรภาพใหม่!
ตัวอย่างที่ดีของการทำงานร่วมกันมาจากผู้สนับสนุนของเราในอินเดีย พวกเขารวมตัวกันและระดมความคิดเกี่ยวกับ Qiskit Slack และร่วมกันสร้างIndiQซึ่งเป็นองค์กรชุมชนควอนตัมท้องถิ่นที่มีภารกิจในการทำให้อินเดียพร้อมควอนตัมโดยการจัดมีตติ้ง เซสชันการศึกษา และแฮกกาธอน
ในฐานะผู้สนับสนุนตัวเอง ฉันไปเที่ยวกับเพื่อนๆ ใน Slack และ Twitter บ่อยมาก และหลายคนกลายเป็นเพื่อนสนิทกันไปแล้ว เรามีกลุ่มเล่น Animal Crossing ด้วย! ฉันมีโอกาสได้พบกับพวกเขาสองสามคน ( Vicente Pina Canelles , Omar Costa HamidoและDesiree Vogt-Lee ) แบบตัวต่อตัว และเป็นเรื่องดีที่ได้พูดคุยเกี่ยวกับความกระตือรือร้นที่มีร่วมกันของเราต่อ Qiskit (และถุงเท้า)
- การเข้าถึงสมาชิกและโครงการหลักของ Qiskit เป็นพิเศษ
ในฐานะผู้สนับสนุน คุณจะสามารถถามคำถามกับสมาชิกของทีม Qiskit และหาที่ปรึกษาได้ Jack Woehrหนึ่งในผู้สนับสนุนของเรา ได้แบ่งปันประสบการณ์ของเขาในการทำงานร่วมกับนักพัฒนา Qiskit เพื่อมีส่วนร่วมในโค้ดของ Qiskit โดยเน้นว่าทีมงานมีความยินดีเป็นอย่างยิ่งในโพสต์ของเขา :
“ผมคิดว่าสิ่งที่สำคัญสำหรับคุณคือมีโครงการที่เปิดกว้างซึ่งทีมงานหลักมีทีมงานที่มีจิตใจดีที่สุดในสนาม ซึ่งทุกคนก็ยุ่งมากเท่าที่จะเป็นได้ แต่ผู้ที่พร้อมจะต้อนรับคุณในฐานะ นักวิ่งมาราธอนคนอื่นๆ กางแขนออกไปยังขอบฟ้าใหม่”
คำพูดของแจ็คสะท้อนประสบการณ์ของฉันเอง การทำงานใน QPong และโครงการควอนตัมอาเขตผมได้รับการให้คำปรึกษาที่น่าตื่นตาตื่นใจจาก IBMers เจมส์ผู้ประกอบการและเกรกอรี่โบแลนด์ ฉันได้เรียนรู้มากมายจากพวกเขาเกี่ยวกับวิธีสร้างการสาธิตที่น่าสนใจสำหรับการสอนคอมพิวเตอร์ควอนตัมและวิธีทำงานร่วมกันในโครงการโอเพ่นซอร์สด้วยเวิร์กโฟลว์ git ที่เหมาะสม ประสบการณ์เหล่านี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อวิธีที่ฉันทำงานในฐานะสมาชิกทีมชุมชน Qiskit - ได้รับการยอมรับจาก IBM
ในฐานะผู้สนับสนุน คุณจะมีโอกาสได้รับการสนับสนุนและเน้นย้ำงานของคุณโดย IBM อันที่จริง ผู้สนับสนุนหลายคนได้เข้ามาฝึกงานหรือทำงานเต็มเวลาให้กับ IBM Quantum และ Qiskit
ผู้สนับสนุนAmira Abbasให้ตัวอย่างที่ชัดเจนของเรื่องนี้ หลังจากชนะ Qiskit ค่ายยุโรป ’19 โครงการของเธอกลายเป็นตำราบท Qiskit เนื่องจากการทำงานที่โดดเด่นของเธอในการเรียนรู้ของเครื่องควอนตัม ตอนนี้เธอเป็นผู้ฝึกงานด้านการวิจัยที่ IBM Research Zurich และเป็นเจ้าภาพของ SuperPosition รายการใหม่ที่ร้อนแรงที่สุดของ Qiskit
สำหรับตัวฉันเอง QPong ปรากฏตัวในตอนแรกของซีรี่ส์ Coding with Qiskitยอดนิยมบนช่อง YouTube ของ Qiskit ซึ่งต้องบอกว่าทำให้ฉันมีชื่อเสียงในระดับหนึ่ง QPong ของเครื่องอาเขตควอนตัมไปทัวร์ทั่วยุโรปรวมทั้งเหตุการณ์ที่สหภาพยุโรปควอนตัม Flagship ในฟินแลนด์ นอกจากนี้ น้อยกว่าหนึ่งปีหลังจากที่ฉันเป็นผู้ให้การสนับสนุน ฉันเข้าร่วม Qiskit ในฐานะสมาชิกทีมชุมชนเต็มเวลา
- รับคำเชิญเข้าร่วมกิจกรรม
ในฐานะผู้สนับสนุนที่ใช้งานอยู่ คุณจะได้รับเชิญให้เข้าร่วมกิจกรรมระดับโลก (ทางกายภาพหรือเสมือน) ที่สร้างขึ้นสำหรับชุมชนควอนตัม ประชาสัมพันธ์Samanvay SharmaและVicente Pina Canellesได้ร่วมกันอย่างกระตือรือร้นประสบการณ์ของพวกเขาได้รับเชิญไปแคมป์ Qiskit และ hackathons ที่คุณสามารถหาได้ที่นี่และที่นี่
อันที่จริง เนื่องจากโปรแกรมมีทัศนวิสัยสูง คุณอาจได้รับเชิญให้เข้าร่วมกิจกรรมที่ไม่ใช่ Qiskit! ฉันได้รับเชิญให้เข้าร่วมงานควอนตัมแฮกกาธอนที่จัดโดย CERN หลังจากที่ผู้จัดงานดูตอน QPong ของซีรีส์ Qiskit ในฐานะนักฟิสิกส์ การไปเยือนบ้านเกิดของฮิกส์โบซอนเป็นความฝันที่เป็นจริง!