Биосинтетический двухъядерный компьютер в живой клетке

Учёные ETH интегрировали два ядра процессора на основе CRISPR-Cas9 в клетки человека. Это огромный шаг к созданию мощных биокомпьютеров.Управление экспрессией генов с помощью переключателей генов на основе модели, заимствованной из цифрового мира, долгое время было одной из главных проблем синтетической биологии. Цифровой метод использует логические элементы для обработки входных сигналов, создавая схемы, в которых, например, выходной сигнал C создаётся, лишь когда одновременно присутствуют входные сигналы A и B.

До настоящего времени биоинженеры пытались создать такие цифровые схемы с помощью белковых генных переключателей в клетках. Однако у них были серьёзные недостатки: они не были гибкими, могли понимать лишь простые программы и были способны обрабатывать лишь один ввод за раз, например, специфическую молекулу. Таким образом, более сложные вычислительные процессы в клетке были возможны лишь при конкретных условиях, ненадёжны и часто терпели неудачу.

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

Центральный процессор из биологических компонент

Команда исследователей во главе с Мартином Фуссенеггером, профессором биотехнологии и биоинженерии в Департаменте биологических наук и инженерии в ETH Zurich в Базеле, теперь нашла способ использовать биологические компоненты для создания гибкого центрального процессора, который принимает различные программы. Процессор, разработанный учёными ETH, основан на модифицированной системе CRISPR-Cas9 и может работать с любым количеством входов в виде молекул РНК.

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

Мощная многопоточная обработка информации

Исследователи сделали ещё один шаг: они создали биологический двухъядерный процессор, аналогичный цифровому, интегрировав два ядра в клетку. Для этого они использовали компоненты CRISPR-Cas9 от двух разных бактерий. Фуссенеггер был в восторге от результата, заявив: «Мы создали первый клеточный компьютер с несколькими ядрами».

Этот биологический компьютер не только чрезвычайно мал, но теоретически может быть увеличен до любого возможного размера. «Представьте себе ткань с миллиардами клеток, 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.

Применение в диагностике и лечении

Клеточный компьютер может использоваться для обнаружения биологических сигналов в организме, таких как продукты обмена веществ или химические сигналы, для их обработки и соответствующего реагирования на них. При правильно запрограммированном процессоре клетки могут интерпретировать два разных биомаркера как входные сигналы. Если присутствует лишь биомаркер А, то биокомпьютер отвечает, формируя диагностическую молекулу или фармацевтическое вещество. Если биокомпьютер регистрирует лишь биомаркер B, он запускает синтез иного 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 произведёт химическое вещество, нацеленное на уничтожение рака.

Возможны многоядерные процессоры

«Этот клеточный компьютер может показаться очень революционной идеей, но это не так», — подчёркивает Фуссенеггер. Он продолжает: «Само тело человека – это большой компьютер. Его метаболизм использует вычислительную мощь триллионов клеток с незапамятных времён». Эти клетки постоянно получают информацию из внешнего мира или из иных клеток, обрабатывают сигналы и реагируют соответствующим образом – будь то химические сигналы или запуск метаболических процессов. «И в отличие от электронного суперкомпьютера, этому большому компьютеру нужен лишь кусок хлеба», – отмечает Фуссенеггер.

Его новая цель – интегрировать многоядерную компьютерную структуру в клетку. «Это будет иметь большую вычислительную мощность, чем нынешняя двухъядерная структура».