[发明专利]一种基于量子退火的蛋白质折叠方法

说明书

本发明提供一种基于量子退火的蛋白质折叠方法，属于量子计算技术领域。因为该方法将蛋白质折叠问题编码为可计算的优化问题(QUBO形式)，具体采用正四面体格点模型模拟氨基酸多肽链分子在三维空间中的构成，并定义编码后的二进制氨基酸序列中任一氨基酸在预定方向上的步长、坐标及任意两个氨基酸之间的距离，通过添加约束条件构建对应的伊辛哈密顿量，最后利用量子退火演化伊辛哈密顿量并得到最终的演化结果，即演化得到的能量最优解即为蛋白质对应的最稳定构像。因此该方法利用量子退火中的量子隧穿效应来解决上述蛋白质问题，可以大大压缩空间和时间复杂度，耗时少，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，具体涉及一种基于量子退火的蛋白质折叠方法。

背景技术

蛋白质折叠(Protein folding)是蛋白质获得其功能性结构和构象的过程。通过这一物理过程，蛋白质从无规则卷曲折叠成特定的功能性三维结构。而“蛋白质折叠”的主要研究目的是依据蛋白质具体的氨基酸序列，对应预测蛋白质折叠的选取路径并确定其三维最终结构。

现有技术中提出的蛋白质随机构象在搜寻研究中具有一系列各种亚稳定中间态的假设来解决折叠时间的莱氏悖论–蛋白质折叠问题，如果通过遍历搜寻自由能最小的构象，利用现有技术提出的方法，需要耗费接随序列指数倍增长的时间。

量子退火算法(Quantum annealing algorithm)是根据经典的模拟退火算法改进的一类新的量子优化算法。不同于经典模拟退火算法利用热波动来搜寻问题的最优解，量子退火算法利用量子波动产生的量子隧穿效应来使算法摆脱局部最优，而实现全局优化。通常来说，量子退火能够自然地返回低能量解决方案，即应用在优化问题，寻找问题的低能态；或者提供良好的低能量样本(概率抽样问题)，因此本发明提出一种基于量子退火的蛋白质折叠方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于量子退火的蛋白质折叠方法。

本发明提供了一种基于量子退火的蛋白质折叠方法，具有这样的特征，包括：将待处理氨基酸序列中的每一个氨基酸映射到正四面体格点模型的每一个格点上；根据正四面体格点模型的预定结构将待处理氨基酸序列编码为对应的二进制氨基酸序列；定义二进制氨基酸序列中任一氨基酸在预定方向上的步长、坐标及任意两个氨基酸之间的距离；基于二进制氨基酸序列构建伊辛哈密顿量；利用量子退火机对伊辛哈密顿量进行演化，演化得到的能量最优解即为蛋白质对应的最稳定构像。

在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，正四面体格点模型中所有晶格包括第一类格点A与第二类格点B，一个第一类格点A分别指向四个第二类格点B，并将该指向的方向采用预定的方式进行编码。

在本发明提供的方法中，还具有这样的特征，还包括：其中，正四面体格点模型中所有晶格包括第一类格点A与第二类格点B，四个第一类格点A分别指向一个第二类格点B，并将该指向的方向采用预定的方式进行编码。

在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：其中，二进制氨基酸序列包括：

q＝11 00 q₁ q₂ q₃ q₄ …q(2N-7)q(2N-6)

1100为待处理氨基酸序列中前三个氨基酸的编码方式。

在本发明提供的方法中，还具有这样的特征：任一氨基酸在预定方向上的步长的表达式如下：

其中，所述所述及所述分别表示氨基酸j在预定方向a、b、c、d上的步长。