Управление экспрессией генов через генные переключатели на основе модели, заимствованной из цифрового мира, уже давно является одной из основных задач синтетической биологии. Цифровой метод использует то, что известно как логические элементы для обработки входных сигналов, создавая схемы, где, например, выходной сигнал C производится только тогда, когда входные сигналы A и B одновременно присутствуют.
До настоящего времени биотехнологи пытались построить такие цифровые схемы с помощью белковых генных переключателей в клетках. Однако у них были серьезные недостатки: они не были очень гибкими, могли принимать только простое программирование и были способны обрабатывать только один вход за раз, например, определенную метаболическую молекулу. Более сложные вычислительные процессы в ячейках, таким образом, возможны только при определенных условиях, ненадежны и часто терпят неудачу.
Даже в цифровом мире схемы зависят от одного входа в виде электронов. Однако такие схемы компенсируют это своей скоростью, выполняя до миллиарда команд в секунду. Клетки более медленны по сравнению с, но могут обрабатывать до 100 000 различных метаболически молекул в секунду как входные сигналы. И все же предыдущие клеточные компьютеры даже близко не подошли к исчерпанию огромного метаболического вычислительного потенциала человеческой клетки.
Процессор биологических компонентов
Группа исследователей во главе с Мартином Фюссенеггером, профессором биотехнологии и биоинженерии на кафедре биосистем и инженерии в ETH Zurich в Базеле, в настоящее время нашли способ использовать биологические компоненты для создания гибкого ядра 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 направляющая РНК).
Особый вариант белка Cas9 формирует ядро процессора. В ответ на входные данные, поступающие от направляющих последовательностей РНК, ЦП регулирует экспрессию определенного гена, который, в свою очередь, производит определенный белок. С помощью этого подхода исследователи могут программировать масштабируемые схемы в человеческих клетках - как цифровые сумматоры половины, они состоят из двух входов и двух выходов и могут добавлять два одноразрядных двоичных числа.
Мощная многоядерная обработка данных
Исследователи пошли еще дальше: они создали биологический двухъядерный процессор, похожий на те, что в цифровом мире, интегрировав два ядра в клетку. Для этого они использовали компоненты CRISPR-Cas9 от двух разных бактерий. Fussenegger был в восторге от результата, говоря: "мы создали первый клеточный компьютер с более чем одним процессором ядра.
Этот биологический компьютер не только чрезвычайно мал, но теоретически может быть масштабирован до любого мыслимого размера. "Представьте себе микротиссу с миллиардами ячеек, каждая из которых оснащена собственным двухъядерным процессором. Такие "вычислительные органы" теоретически могли бы достичь вычислительной мощности, которая намного превосходит вычислительную мощность цифрового суперкомпьютера - и используя только часть энергии", - говорит Фюссенеггер.
Применения в диагностике и лечении
Компьютер клетки смог быть использован для того чтобы обнаружить биологические сигналы в теле, как некоторые метаболически продукты или химические посыльные, обработать их и ответить К им соответственно. При правильно запрограммированном процессоре клетки могут интерпретировать два различных биомаркера как входные сигналы. Если присутствует только биомаркер а, то биокомпьютер отвечает образованием диагностической молекулы или фармацевтического вещества. Если биокомпьютер регистрирует только биомаркер B, то он запускает производство другого вещества. Если оба биомаркера присутствуют, это вызывает третью реакцию.Такая система могла бы найти применение в медицине, например в лечении рака.
"Мы также можем интегрировать обратную связь", - говорит Фюссенеггер. Например, если биомаркер B остается в организме в течение более длительного периода времени в определенной концентрации, это может означать, что рак метастазирует. Затем биокомпьютер произведет химическое вещество, предназначенное для обработки этих наростов.
Возможны многоядерные процессоры
"Этот клеточный компьютер может показаться очень революционной идеей, но это не так", - подчеркивает Фюссенеггер. Он продолжает: "само человеческое тело-это большой компьютер. Его метаболизм с незапамятных времен опирается на вычислительную мощность триллионов клеток."Эти клетки постоянно получают информацию из внешнего мира или от других клеток, обрабатывают сигналы и реагируют соответствующим образом-будь то путем излучения химических посланников или запуска метаболических процессов."И в отличие от технического суперкомпьютера, этому большому компьютеру нужен только кусок хлеба для энергии", - указывает Фюссенеггер.
Его следующая цель-интегрировать многоядерную компьюте.
