Биосинтетический двухъядерный клеточный компьютер
Исследователи ETH Zurich интегрировали два процессора на основе CRISPR-Cas9 в человеческие клетки. Это большой шаг к созданию мощных биокомпьютеров.
Ранее попытки построить цифровые схемы в клетках с помощью белковых генетических переключателей имели серьёзные недостатки: они были негибкими, программировались просто и могли обрабатывать только один входной сигнал за раз. Сложные вычислительные процессы в клетках были ненадёжными.
Цифровые схемы компенсируют работу с одним входным сигналом (электронами) высокой скоростью — до миллиарда команд в секунду. Клетки медленнее, но могут обрабатывать до 100 000 различных метаболических молекул в секунду как входные данные. Предыдущие клеточные компьютеры не использовали этот огромный потенциал.
ЦПУ из биологических компонентов
Команда под руководством профессора Мартина Фюссенеггера создала гибкий центральный процессор (CPU) на основе модифицированной системы CRISPR-Cas9. Он может работать с любым количеством входных данных в виде молекул РНК (гидРНК).
Основа процессора — специальный вариант белка Cas9. В ответ на входные сигналы от последовательностей гидРНК CPU регулирует экспрессию определённого гена, который производит конкретный белок. Исследователи могут программировать масштабируемые схемы в человеческих клетках, например, полусумматоры, состоящие из двух входов и двух выходов.
Мощная многопоточная обработка данных
Учёные пошли дальше и создали биологический двухъядерный процессор, интегрировав два ядра в одну клетку. Для этого они использовали компоненты CRISPR-Cas9 от двух разных бактерий. Фюссенеггер заявил: «Мы создали первый клеточный компьютер с более чем одним процессорным ядром».
Этот биологический компьютер не только крайне мал, но и теоретически может быть масштабирован до любого размера. «Представьте микроткань с миллиардами клеток, каждая со своим двухъядерным процессором. Такие "вычислительные органы" теоретически могут достичь мощности, далеко превосходящей цифровой суперкомпьютер, используя лишь часть энергии», — говорит Фюссенеггер.
Применение в диагностике и лечении
Клеточный компьютер может обнаруживать биологические сигналы в организме (метаболиты или химические мессенджеры), обрабатывать их и реагировать. При правильном программировании клетки могут интерпретировать два разных биомаркера как входные сигналы:
- Только биомаркер А → образование диагностической молекулы или лекарства №1.
- Только биомаркер В → образование вещества №2.
- Оба биомаркера → третья реакция.
Такая система может применяться в медицине, например, в лечении рака. «Мы также можем интегрировать обратную связь», — отмечает Фюссенеггер. Например, если биомаркер В остаётся в организме долгое время в определённой концентрации (возможный признак метастазирования), биокомпьютер произведёт вещество для лечения этих очагов.
Возможны многоядерные процессоры
«Человеческое тело само по себе — большой компьютер. Его метаболизм использует вычислительную мощность триллионов клеток с незапамятных времён», — подчёркивает Фюссенеггер. Эти клетки постоянно обрабатывают сигналы и реагируют на них. «И в отличие от технического суперкомпьютера, этому большому компьютеру для энергии нужен лишь ломтик хлеба».
Следующая цель — интегрировать в клетку многоядерную компьютерную структуру. «Она будет иметь ещё большую вычислительную мощность, чем нынешняя двухъядерная», — говорит учёный.