生物合成双核细胞计算机

ETH研究人员将两个基于CRISPR-Cas9的核心处理器整合到人体细胞中。这代表了创建强大的生物计算机的重要一步。

基于从数字世界借来的模型通过基因开关控制基因表达长期以来一直是合成生物学的主要目标之一。数字技术使用所谓的逻辑门来处理输入信号，产生电路，例如，仅当输入信号A和B同时存在时才产生输出信号C.

迄今为止，生物技术学家已经尝试在细胞中的蛋白质基因开关的帮助下构建这样的数字电路。然而，这些有一些严重的缺点：它们不是非常灵活，只能接受简单的编程，并且能够一次只处理一个输入，例如特定的代谢分子。因此，单元中更复杂的计算过程仅在某些条件下是可能的，不可靠且经常失败。

即使在数字世界中，电路依赖于电子形式的单个输入。然而，这样的电路以其速度对此进行补偿，每秒执行高达十亿个命令。相比之下，细胞较慢，但每秒可处理多达100,000种不同的代谢分子作为输入。然而，以前的细胞计算机甚至没有接近耗尽人体细胞的巨大代谢计算能力。

生物成分的CPU

由巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的生物技术与生物工程教授Martin Fussenegger领导的研究小组现在已经找到了一种利用生物组件构建灵活核心处理器或中央处理单元(CPU)的方法。 )，接受不同类型的编程。由ETH科学家开发的处理器基于经修饰的CRISPR-Cas9系统，并且基本上可以以RNA分子形式(称为指导RNA)的所需数量输入。

Cas9蛋白的特殊变体构成了处理器的核心。响应由指导RNA序列递送的输入，CPU调节特定基因的表达，该基因又产生特定蛋白质。通过这种方法，研究人员可以对人体细胞中的可扩展电路进行编程- 如数字半加器，它们由两个输入和两个输出组成，并且可以添加两个单位二进制数。

强大的多核数据处理功能

研究人员更进了一步：他们通过将两个核心集成到一个小区中，创建了一个类似于数字世界的生物双核处理器。为此，他们使用来自两种不同细菌的CRISPR-Cas9成分。Fussenegger对结果感到高兴，他说：“我们创建了第一台带有多个核心处理器的计算机。”

这种生物计算机不仅非常小，而且理论上可以扩展到任何可想到的大小。“想象一下拥有数十亿个细胞的微组织，每个细胞都配备了自己的双核处理器。这样的'计算机构'在理论上可以获得远远超过数字超级计算机的计算能力 - 并且仅使用一小部分能量，”Fussenegger说。 。

在诊断和治疗中的应用

细胞计算机可用于检测体内的生物信号，例如某些代谢产物或化学信使，处理它们并相应地响应它们。通过适当编程的CPU，细胞可以将两种不同的生物标记物解释为输入信号。如果仅存在生物标志物A，则生物计算机通过形成诊断分子或药物物质来响应。如果生物计算机仅注册生物标记B，则它触发生成不同的物质。如果两种生物标志物都存在，则会引发第三种反应。这种系统可以在医学中找到应用，例如在癌症治疗中。

“我们还可以整合反馈，”Fussenegger说。例如，如果生物标志物B在一定浓度下在体内保留较长时间，则这可能表明癌症正在转移。然后，生物计算机将产生针对这些生长用于治疗的化学物质。

多核处理器可能

“这台计算机可能听起来像是一个非常革命性的想法，但事实并非如此，”Fussenegger强调说。他继续说道：“人体本身就是一台大型计算机。自古以来，它的新陈代谢已经吸收了数万亿细胞的计算能力。”这些细胞不断从外界或其他细胞接收信息，处理信号并做出相应的反应 - 无论是通过发射化学信使还是触发代谢过程。“与技术超级计算机相比，这台大型计算机只需要一片面包就可以获得能量，”Fussenegger指出。

他的下一个目标是将多核计算机结构集成到一个单元中。“这将比现有的双核心结构拥有更多的计算能力，”他说。

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