Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (нем. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) интегрировали в клетки человека два процессора на базе технологии CRISPR-Cas9. Это огромный шаг на пути к созданию мощных биокомпьютеров.
Контроль экспрессии генов с помощью переключения, основанный на модели из цифровой реальности, давно является одной из основных задач синтетической биологии. В цифровых технологиях используются так называемые логические вентили для обработки входящих сигналов, то есть, создаются схемы, где сигнал C на выходе производится только при одновременном наличии на входе сигналов A и B.
Сегодня с помощью биотехнологий пытаются построить подобные цифровые схемы, используя белковые переключатели генов в клетках. Однако у них есть некоторые серьёзные недостатки: они негибкие, могут принимать только простое программное решение и обрабатывать только один входящий сигнал за раз, например, конкретную молекулу в обмене веществ. Более сложные вычислительные процессы в клетках возможны только при определённых условиях, они ненадёжны и зачастую терпят неудачу.
Даже в цифровом мире работа цепочки зависит от единственного входа в форме электронов. Однако цифровые схемы компенсируют это скоростью, выполняя до миллиарда команд в секунду. Клетки, по сравнению с этим, медленнее, но и они могут обрабатывать до 100 000 различных метаболических молекул в секунду в качестве входных данных. И всё же предшествующие клеточные компьютеры даже близко не подошли к использованию огромных метаболических возможностей человеческой клетки.
Группа исследователей под руководством Мартина Фуссенеггера (Martin Fussenegger) нашла способ использовать биологические компоненты для создания гибкого процессорного ядра, или центрального процессора (CPU), который можно программировать различными способами. Этот процессор основан на модифицированной системе CRISPR-Cas9. Он может работать с любым количеством данных на входе в виде молекул РНК (известных как РНК-проводники).
Ядро процессора образуется специальной разновидностью белка Cas9. В ответ на сигнал на входе, поступающий от последовательностей РНК-проводников, центральный процессор регулирует экспрессию конкретного гена, из которого, в свою очередь, получается определённый белок. При таком подходе исследователи могут программировать схемы разного масштаба в клетках человека. Например, цифровые полусумматоры, состоящие из двух входов и двух выходов, складывающие два одноразрядных двоичных числа.
Исследователи пошли ещё дальше — они создали биологический двухъядерный процессор, похожий на электронный, интегрировав в клетку два ядра. Для этого они использовали компоненты CRISPR-Cas9 из двух различных бактерий. Фуссенеггер говорит: «Мы создали первый клеточный компьютер с несколькими процессорами».
Этот биологический компьютер крайне маленький, но, теоретически, может быть масштабирован до любого мыслимого размера.
«Представьте себе микроткань с миллиардами клеток, каждая из которых оснащена двухъядерным процессором. Такой „вычислительный орган“ может достичь вычислительной мощности, намного превышающей мощность цифрового суперкомпьютера, используя лишь немного энергии», — говорит Фуссенеггер.
С помощью клеточного компьютера можно будет обнаруживать биологические сигналы в организме, например, определённые продукты обмена веществ или информационные РНК. Он мог бы обрабатывать сигналы и реагировать соответствующим образом. При правильно запрограммированном процессоре клетки могут интерпретировать два различных биомаркера в качестве сигнала на входе. Если присутствует только биомаркер A, биокомпьютер сформирует диагностическую молекулу или фармацевтическое вещество. Если будет зарегистрирован только биомаркер B, он запустит производство другого вещества. Если присутствуют оба биомаркера, это вызовет третью реакцию. Такая система может найти применение в медицине, например, при лечении рака.
«Мы сможем интегрировать в эту систему обратную связь», — говорит Фуссенеггер. Например, если биомаркер B остаётся в организме в течение длительного периода времени в определённой концентрации, это может указывать на метастазы рака. Затем биокомпьютер будет производить химическое вещество, предназначенное для лечения.
«Клеточный компьютер может казаться революционной идеей, но это не так, — подчёркивает Фуссенеггер. — Человеческое тело само по себе является большим компьютером. С незапамятных времён обмен веществ опирается на вычислительную мощность триллионов клеток». Эти клетки постоянно получают информацию из внешнего мира или от других клеток, обрабатывают сигналы и реагируют соответствующим образом — вырабатывают информационные РНК или запускают процесс обмена веществ.
«В отличие от технического суперкомпьютера, этому огромному компьютеру нужен лишь небольшой кусок хлеба для получения энергии», — отмечает Фуссенеггер.
Следующей целью является интеграция многоядерной компьютерной структуры в клетку. «Это дало бы ещё больше вычислительной мощности, чем нынешняя двухъядерная структура», — заключает он.