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Könnte das Quantencomputing die nächste Evolution in der DNA-Forschung sein?

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DNA-Mapping-Methoden, d. h. die Identifizierung der Sequenz von Nukleotidbasen innerhalb eines DNA-Strangs, sind von grundlegender Bedeutung für eine maßgeschneiderte Gesundheitsversorgung und die Erkennung von Krankheiten, obwohl selbst die schnellsten Methoden Stunden oder sogar Tage benötigen, um eine vollständige Sequenz zu entschlüsseln. Derzeit hat eine gemeinsame Forschungsgruppe unter der Leitung des Institute of Scientific and Industrial Research (SANKEN) an der Universität Osaka eine Methode entwickelt, die ein neues Modell für die Genomuntersuchung darstellen könnte. DNA-Stränge sind geordnete Reihen von Nukleotidbasen, d. h. die vier “Symbole”, die in lebenswichtige Informationen für das korrekte Funktionieren eines Lebewesens übersetzt werden.

So kann beispielsweise die Veränderung eines einzigen Nukleotids unter den mehreren Milliarden Nukleotidpaaren im menschlichen genetischen Code zu einer schwerwiegenden Gesundheitsstörung führen. Die Fähigkeit, DNA-Stränge schnell und zuverlässig zu interpretieren, ist daher für einige dringende medizinische Entscheidungen, wie z. B. die Festlegung des Verlaufs einer bestimmten Krebsbehandlung, unerlässlich. Bedauerlicherweise stellt die genetische Untersuchung für herkömmliche Computer nach wie vor ein Hindernis dar, und genau in diesem Rahmen zeigen Quantencomputer ihr Potenzial. Quantencomputer arbeiten mit Quantenbits anstelle der von klassischen Computern verwendeten “0” und “1”, was eine dramatische Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht.

In einem Forschungsartikel, der kürzlich im Journal of Physical Chemistry B veröffentlicht wurde, hatten die Wissenschaftler das Ziel, einen Quantencomputer einzusetzen, um Adenosin von den anderen drei Nukleotidverbindungen zu unterscheiden. Die Nutzung der Quantencodierung zur Erkennung einzelner Nukleotidmoleküle stellt eine wesentliche Vorstufe auf dem Weg zum letztendlichen Ziel der DNA-Analyse dar, eine Herausforderung, die die Wissenschaftler in Angriff nehmen wollten. “Mit Hilfe eines Quantenschaltkreises demonstrieren wir die Methode, ein Nukleotid allein anhand der Beobachtungsdaten eines einzelnen Moleküls zu identifizieren”, erklärt Masateru Taniguchi, der Hauptautor der Forschungsarbeit. “Dies ist der erste Fall, in dem ein Quantencomputer mit Beobachtungsdaten eines einzelnen Moleküls verknüpft wurde, was die praktische Anwendbarkeit von Quantencomputern bei der Analyse von Genomen untermauert.”

Die Forscher nutzten Elektroden mit einem nanoskaligen Abstand, um einzelne Nukleotide zu erfassen. Das Strom-Zeit-Verhältnis für das Adenosinmonophosphat-Nukleotid unterschied sich von dem der übrigen drei Nukleotide. Diese Abweichung ist darauf zurückzuführen, dass der Weg des Elektronenflusses vom Nukleotid zu den Elektroden durch die chemische Struktur des Nukleotids beeinflusst wird. Dieses Prinzip bildet die Grundlage für die Konstruktion eines Quantengatters, das als eindeutige molekulare Kennung für jedes Nukleotid dient.

“Fluktuationen in der Leitfähigkeit hängen von einzigartigen molekularen Rotationsmustern ab, die für jedes Nukleotid einzigartig sind”, erklärt Tomofumi Tada, der Hauptautor der Forschungsarbeit. “In der bestehenden Konfiguration ist es nicht gerade einfach, Adenosinmonophosphat von den anderen drei Nukleotiden zu trennen, aber die DNA-Analyse könnte durch die Herstellung von Quantengattern auch für diese zusätzlichen Nukleotide möglich werden.” Dieses Vorhaben hat weitreichende und spannende Perspektiven: Fortschritte bei der Entwicklung von Medikamenten, der Erkennung von Krebs und der Erforschung von Infektionskrankheiten sind nur einige Beispiele dafür, was mit dem Aufkommen einer extrem schnellen Genom-Bewertung zu erwarten ist.

Dies ist eine Übersetzung aus dem Englischen, den Originalartikel finden Sie hier: Could Quantum Computing Be the Next Evolution in DNA Study?

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