Система генной редактуры CRISPR обычно известна своим применением в лечении генетических заболеваний, но эта технология имеет и широкий спектр возможных применений в синтетической биологии. Исследователи из ETH Zurich теперь использовали CRISPR для построения функциональных биокомпьютеров внутри человеческих клеток.
Несмотря на всю мощь современных компьютеров, природа давно превзошла нас. Живые организмы можно рассматривать как своего рода компьютеры - их клетки действуют как логические элементы, принимая информацию из внешнего мира, обрабатывая ее и реагируя определенными метаболическими процессами.
"Сам человеческий организм является огромным компьютером", - говорит Мартин Фюссенеггер, ведущий исследователь этого проекта. "Его метаболизм использует вычислительную мощность триллионов клеток с незапамятных времен. И в отличие от технического суперкомпьютера, этому большому компьютеру нужен всего лишь ломтик хлеба в качестве энергии".
Использование этих природных процессов для построения логических схем является ключевой целью синтетической биологии. В данном случае команда из ETH Zurich нашла способ встроить двухъядерные процессоры в человеческие клетки, модифицировав сначала инструмент генной редактуры CRISPR. Обычно эта система использует последовательности направляющей РНК для нацеливания на определенные участки ДНК в геноме, а затем производит точные редактирования. Для этого проекта команда создала специальную версию фермента Cas9, который может выступать в качестве процессора.
Этот особый Cas9 считывает направляющую РНК как входные данные и в ответ экспрессирует определенные гены. Это, в свою очередь, создает определенные белки в качестве выходных данных. Эти процессоры действуют как цифровые полусумматоры - по сути, они могут сравнивать два входа или складывать два двоичных числа и выдавать два выхода. Для повышения вычислительной мощности исследователям удалось разместить два ядра процессора в одной клетке.
В долгосрочной перспективе эти двухъядерные клеточные компьютеры могут быть сложены в миллиарды для создания мощных биокомпьютеров для диагностики и лечения заболеваний. Например, команда говорит, что они могут искать биомаркеры и реагировать на это путем создания различных терапевтических молекул, в зависимости от того, присутствует ли один, другой или оба биомаркера.
"Представьте себе микроткань с миллиардами клеток, каждая из которых оснащена собственным двухъядерным процессором, - говорит Фюссенеггер. - Такие "вычислительные органы" теоретически могут достичь вычислительной мощности, которая многократно превосходит мощность цифрового суперкомпьютера, и при этом использовать всего лишь долю энергии".
Исследование было опубликовано в журнале PNAS.