Биосинтетический двухъядерный клеточный компьютер

Управление экспрессией генов с помощью переключателей генов на основе модели, заимствованной из цифрового мира, долгое время было одной из основных задач синтетической биологии. Цифровой метод использует так называемые логические элементы для обработки входных сигналов, создавая схемы, в которых, например, выходной сигнал C создается только тогда, когда одновременно присутствуют входные сигналы A и B.

До настоящего времени биотехнологи пытались создать такие цифровые схемы с помощью белковых генных переключателей в клетках. Однако у них были некоторые серьезные недостатки: они были не очень гибкими, могли принимать только простое программирование и были способны обрабатывать только один ввод за раз, например, специфическую метаболическую молекулу. Таким образом, более сложные вычислительные процессы в ячейках возможны только при определенных условиях, ненадежны и часто терпят неудачу.

Даже в цифровом мире схемы зависят от одного входа в форме электронов. Однако такие схемы компенсируют это своей скоростью, выполняя до миллиарда команд в секунду. Клетки медленнее по сравнению, но могут обрабатывать до 100 000 различных метаболических молекул в секунду в качестве входных данных. И все же предыдущие сотовые компьютеры даже не приблизились к исчерпанию огромных вычислительных возможностей человеческой клетки.

ЦП биологических компонентов

Команда исследователей во главе с Мартином Фуссенеггером, профессором биотехнологии и биоинженерии в Департаменте биологических наук и инженерии в ETH Zurich в Базеле, в настоящее время нашли способ использовать биологические компоненты для создания гибкого основного процессора или центрального процессора (CPU). ), который принимает различные виды программирования. Процессор, разработанный учеными ETH, основан на модифицированной системе CRISPR-Cas9 и в основном может работать с любым количеством входов в виде молекул РНК (известных как направляющие РНК).

Особый вариант белка Cas9 образует ядро процессора. В ответ на ввод, осуществляемый направляющими последовательностями РНК, ЦП регулирует экспрессию определенного гена, который, в свою очередь, производит определенный белок. Благодаря такому подходу исследователи могут программировать масштабируемые схемы в клетках человека — например, цифровые половинные сумматоры, они состоят из двух входов и двух выходов и могут добавлять два однозначных двоичных числа.

Мощная многоядерная обработка данных

Исследователи сделали еще один шаг вперед: они создали биологический двухъядерный процессор, аналогичный цифровому миру, интегрировав два ядра в ячейку. Для этого они использовали компоненты CRISPR-Cas9 от двух разных бактерий. Фуссенеггер был в восторге от результата, заявив: «Мы создали первый сотовый компьютер с более чем одним ядром».

Этот биологический компьютер не только чрезвычайно мал, но теоретически может быть увеличен до любого возможного размера. «Представьте себе микроткань с миллиардами ячеек, каждая из которых оснащена собственным двухъядерным процессором. Такие« вычислительные органы »теоретически могут достичь вычислительной мощности, которая намного превосходит вычислительную мощность цифрового суперкомпьютера — и использует лишь небольшую часть энергии», — говорит Фуссенеггер говорит.

Приложения в диагностике и лечении

Сотовый компьютер может использоваться для обнаружения биологических сигналов в организме, таких как определенные продукты обмена веществ или химические мессенджеры, для их обработки и соответствующего реагирования на них. При правильно запрограммированном процессоре клетки могут интерпретировать два разных биомаркера как входные сигналы. Если присутствует только биомаркер А, то биокомпьютер отвечает, формируя диагностическую молекулу или фармацевтическое вещество. Если биокомпьютер регистрирует только биомаркер B, он запускает производство другого вещества. Если присутствуют оба биомаркера, это вызывает третью реакцию. Такая система может найти применение в медицине, например, при лечении рака.

«Мы могли бы также интегрировать обратную связь», — говорит Фуссенеггер. Например, если биомаркер B остается в организме в течение более длительного периода времени при определенной концентрации, это может указывать на метастазирование рака. Биокомпьютер тогда произведет химическое вещество, которое предназначается для тех наростов для обработки.

Возможны многоядерные процессоры

«Этот сотовый компьютер может показаться очень революционной идеей, но это не так», — подчеркивает Фуссенеггер. Он продолжает: «Человеческое тело само по себе является большим компьютером. Его метаболизм с незапамятных времен использовал вычислительную мощь триллионов клеток».

Эти клетки постоянно получают информацию из внешнего мира или от других клеток, обрабатывают сигналы и отвечают соответствующим образом — будь то излучение химических посланников или запуск метаболических процессов. «И в отличие от технического суперкомпьютера, этому большому компьютеру нужен только кусок хлеба для энергии», — отмечает Фуссенеггер.

Его следующая цель — интегрировать многоядерную компьютерную структуру в ячейку. «Это будет иметь даже большую вычислительную мощность, чем нынешняя двухъядерная структура», — говорит он.