Dvoujádrový počítač s biosyntetickými buňkami.

Kontrola genové exprese pomocí genetických klíčů na základě modelu z digitálního světa byla jedním z hlavních cílů syntetické biologie. Digitální technika využívá ke zpracování vstupních signálů takzvaná logická hradla, například vytváření obvodů, kde je výstupní signál C generován pouze tehdy, jsou-li současně přítomny vstupní signály A a B.

Doposud se biotechnologové pokoušeli vytvořit takové digitální obvody pomocí přepínačů proteinových genů v buňkách. Měli však několik hlavních nevýhod: Nebyli příliš flexibilní, mohli přijímat pouze jednoduché programování a dokázali zpracovat pouze jeden vstup najednou, jako konkrétní metabolickou molekulu. Složitější výpočetní procesy v buňkách jsou proto možné pouze za určitých podmínek, jsou nespolehlivé a často selhávají.

Dokonce i v digitálním světě jsou obvody připojeny k jedinému vstupu ve formě elektronu. Tyto obvody to však kompenzují svou rychlostí a provádějí jednu miliardu příkazů za sekundu. Buňky jsou ve srovnání pomalejší, ale mohou zpracovávat až 100 000 různých metabolických molekul za sekundu jako vstup. Dřívější buněčné počítače však ani tak nespotřebovávaly obrovskou metabolickou výpočetní sílu lidské buňky.

Biologickou složkou je CPU.

Tým vědců vedený Martinem Fusseneggerem, profesorem biotechnologie a bioinženýrství na katedře biosystémů vědy a techniky na ETH Curych v Basileji, našel způsob, jak pomocí biologických komponent vytvořit flexibilní základní procesor nebo centrální procesorovou jednotku (PROCESSOR). ) přijímá různé typy programování. Procesor vyvinutý vědci ETH je založen na upraveném systému CRISPR-Cas9 a může pracovat s libovolným počtem vstupů hlavně ve formě molekul RNA (známé jako vodicí RNA).

Jádro procesoru tvoří speciální varianta proteinu Cas9. V reakci na vstup poskytovaný vodicími sekvencemi RNA CPU reguluje expresi konkrétního genu, který produkuje konkrétní protein. Pomocí tohoto přístupu mohou vědci programovat škálovatelné obvody v lidských buňkách, jako jsou digitální semi-součty, které se skládají ze dvou vstupů a dvou výstupů, a mohou přidat dvě jednociferná binární čísla.

Výkonné vícejádrové zpracování dat.

Vědci udělali tento krok dále: integrací dvou jader do jedné buňky vytvořili podobný dvoujádrový biologický procesor v digitálním světě. K tomu použili komponenty CRISPR-Cas9 ze dvou různých bakterií. “Vytvořili jsme první mobilní počítač s několika centrálními procesory,” řekl Fussenegger, s výsledkem velmi spokojený.

Nejen, že je tento biologický počítač extrémně malý, ale teoreticky se může škálovat na jakoukoli představitelnou velikost. Představte si mikrotkaninu s miliardami buněk, z nichž každý je vybaven vlastním dvoujádrovým procesorem. Taková „výpočetní tělesa“ by teoreticky mohla dosáhnout výpočetní síly daleko za digitálním superpočítačem a využívat pouze jednu část energie, “uvedl Fussenegger. Říká.

Aplikace v diagnostice a léčbě.

Mobilní počítač lze použít k detekci, zpracování a reakci na biologické signály, jako jsou určité metabolické produkty nebo chemičtí poslové v těle. Se správně naprogramovaným CPU mohou buňky interpretovat dva různé biomarkery jako vstupní signály. Pokud je přítomen pouze biomarker A, reaguje biopočítač vytvořením diagnostické molekuly nebo léčivé látky. Pokud biopočítač zaregistruje pouze biomarker B, spustí produkci jiné látky. Pokud jsou přítomny oba biomarkery, způsobí to třetí reakci. Takový systém může najít uplatnění v medicíně, například v terapii rakoviny.

“Můžeme také integrovat komentáře,” říká Fussenegger. Například pokud biomarker B zůstává v těle delší dobu v určité koncentraci, může to znamenat, že rakovina metastázovala. Biopočítač poté vyrobí chemickou látku, která se zaměřuje na tyto růsty za účelem ošetření.

Možné vícejádrové procesory

„Tento mobilní výpočet může znít jako velmi revoluční nápad, ale není tomu tak,“ zdůrazňuje Fussenegger. Pokračuje: „Samotné lidské tělo je úžasný počítač. Jeho metabolismus je od starověku založen na výpočetní síle bilionů buněk. Tyto buňky neustále přijímají informace z vnějšího světa nebo jiných buněk, zpracovávají signály a odpovídajícím způsobem reagují prostřednictvím emise chemických poslů nebo aktivací metabolických procesů. “A na rozdíl od technického superpočítače potřebuje tento velký počítač jen kousek chleba k napájení,” říká Fussenegger.

Vaším dalším cílem je integrovat vícejádrovou počítačovou strukturu do buňky. “Bude to mít větší výpočetní výkon než současné dvoujádrové sestavení,” říká.

Zdroj příběhu:

Materiály poskytované ETH Curych. Napsal Peter Rüegg. Poznámka: Obsah lze upravovat podle stylu a délky.