Oamenii de știință construiesc un biocomputer din celule umane vii

O echipă de cercetători condusă de Martin Fussenegger, profesor de biotehnologie și bioinginerie la Departamentul de Științe și Inginerie Biosisteme la ETH Zurich din Basel, a găsit acum o modalitate de a utiliza componente biologice pentru a construi un procesor cu miez flexibil.

Un procesor de componente biologice

O variantă specială a proteinei Cas9 formează miezul procesorului. Ca răspuns la intrarea livrată de secvențele de ARN ghid, CPU reglează expresia unei gene specifice, care la rândul său face o anumită proteină. Cu această abordare, cercetătorii pot programa circuite scalabile în celule umane – cum ar fi jumătăți digitale care adaugă, acestea constau din două intrări și două ieșiri și pot adăuga două numere binare cu o singură cifră.

Procesarea puternică a datelor multicore

Cercetătorii au făcut un pas mai departe: au creat un procesor bi-core biologic, similar cu cel din lumea digitală, prin integrarea a două nuclee într-o celulă. Pentru aceasta, au folosit componente CRISPR-Cas9 din două bacterii diferite. Fussenegger a fost încântat de rezultat, spunând: „Am creat primul computer celular cu mai mult de un procesor de bază”.

Acest computer biologic nu este doar extrem de mic, dar în teorie poate fi extins până la orice dimensiune imaginabilă.

„Imaginează-ți un micro-tesut cu miliarde de celule, fiecare echipat cu propriul procesor dual-core. Astfel de „organe de calcul” ar putea atinge teoretic puterea de calcul care o depășește cu mult pe cea a unui supercomputer digital – și folosind doar o parte din energie ”, spune Fussenegger.

Aplicații în diagnostic și tratament

Un computer celular ar putea fi folosit pentru a detecta semnale biologice în organism, cum ar fi anumite produse metabolice sau mesageri chimici, să le proceseze și să le răspundă în consecință. Cu un procesor corect programat, celulele ar putea interpreta două biomarkere diferite ca semnale de intrare. Dacă este prezent doar biomarkerul A, atunci biocomputerul răspunde formând o moleculă de diagnostic sau o substanță farmaceutică. Dacă biocomputerul înregistrează doar biomarkerul B, atunci declanșează producția unei substanțe diferite. Dacă ambii biomarkeri sunt prezenți, aceasta induce încă o a treia reacție. Un astfel de sistem ar putea găsi aplicație în medicament, de exemplu în tratamentul cancerului.

„Am putea integra și feedback-ul”, spune Fussenegger. De exemplu, dacă biomarkerul B rămâne în organism o perioadă mai lungă de timp la o anumită concentrație, acest lucru ar putea indica faptul că cancerul este metastazant. Biocomputerul ar produce apoi o substanță chimică care vizează acele creșteri pentru tratament.

Este posibilă procesoare multicore

„Acest computer mobil poate suna ca o idee foarte revoluționară, dar nu este cazul”, subliniază Fussenegger. El continuă: „Însuși corpul uman este un computer mare. Metabolismul său s-a bazat pe puterea de calcul a trilioanelor de celule încă din vremuri imemoriale. ”Aceste celule primesc continuu informații din lumea exterioară sau de la alte celule, prelucrează semnalele și răspund în consecință – fie prin emiterea de mesageri chimici, fie prin declanșarea proceselor metabolice. „Și spre deosebire de un supercomputer tehnic, acest computer mare are nevoie doar de o felie de pâine pentru energie”, subliniază Fussenegger.

Următorul său obiectiv este de a integra o structură multicore computer într-o celulă. „Aceasta ar avea și mai multă putere de calcul decât actuala structură dual core”, spune el.

Acest articol a fost republicat din materiale furnizate de ETH Zurich. Notă: este posibil ca materialul să fi fost editat pentru lungime și conținut. Pentru informații suplimentare, vă rugăm să contactați sursa citată.

Referință: Hyojin Kim, Daniel Bojar și Martin Fussenegger. 2019. O unitate de procesare centrală bazată pe CRISPR / Cas9 pentru programarea calculului logic complex în celulele umane.
PNAS. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1821740116.