Faltung von Gitterproteinen mit Quantum Annealing

Die jüngste Veröffentlichung "Folding lattice proteins with quantum annealing" von Anders Irbäck et al. (DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.043013) wurde von der Zeitschrift Physical Review Research als "Editor's suggestion" ausgewählt. In diesem Artikel erforschen die Autoren - unter ihnen Sandipan Mohanty vom JSC Simulation and Data Lab Biology - einen neuen Weg, das Problem der Proteinfaltung für Quantencomputer zu kodieren. Anhand einer einfachen HP-Protein-Darstellung (H = hydrophob, P = polar) auf einem 2D-Gitter zeigen die Autoren, dass der Einsatz von Quantum Annealern für biophysikalische Probleme in naher Zukunft möglich ist.

Für das einfache 2D-HP-Gittermodell, das hier verwendet wird, sind genaue Ergebnisse für Systeme mit bis zu 30 Aminosäuren bekannt. Dies macht es zu einem interessanten Testfeld für die Bewertung der Zuverlässigkeit neuer Methoden. Die Simulationen, die auf dem D-Wave Advantage System JUPSI am Jülich Supercomputing Centre durchgeführt wurden, zeigen, dass der hybride Quanten Annealer eine 100-%ige Trefferquote beim Auffinden des Grundzustands des Gitterproteinmodells hat.

Entscheidend ist, dass die neu entwickelte Methode ihre analytische Einfachheit beibehält, wenn mehr Teilchen zum System hinzugefügt werden, so dass größere Systeme mit geringem Mehraufwand untersucht werden können. Die Autoren wendeten die Methode auf zwei Systeme mit 48 und 64 Aminosäuren an, deren Grundzustände aus älteren klassischen Simulationen bekannt waren, und stellten fest, dass der Quantum Annealer diese Grundzustände wieder mit einer 100-%igen Trefferquote identifiziert und dabei nur einen kleinen Bruchteil der Rechenzeit benötigt.

Diese Studie eröffnet spannende neue Möglichkeiten für die Anwendung von Quantentechnologien in den Biowissenschaften. Die Autoren erforschen derzeit Möglichkeiten, biophysikalisch detailliertere Modelle auf Quantencomputer zu übertragen.

Kontakt: Dr. Sandipan Mohanty

aus JSC News No. 292, 2. November 2022