Управление экспрессией генов с помощью генетических переключателей на основе модели, заимствованной из цифрового мира, уже давно является одной из основных задач синтетической биологии. Цифровой метод использует так называемые логические элементы для обработки входных сигналов, создавая схемы, в которых, например, выходной сигнал «C» вырабатывается только тогда, когда входные сигналы «A» и «B» присутствуют одновременно.
До настоящего времени биотехнологи пытались построить такие цифровые схемы с помощью белковых генных переключателей в клетках. Однако у них были серьезные недостатки: они были не очень гибкими, могли принимать только простое программирование и были способны обрабатывать только один вход за раз, например, конкретную метаболическую молекулу. Более сложные вычислительные процессы в ячейках, таким образом, возможны только при определенных условиях, ненадежны и часто терпят неудачу.
Даже в цифровом мире схемы зависят от одного входа в виде электронов. Однако такие схемы компенсируют это своей скоростью, выполняя до миллиарда команд в секунду. Клетки, в сравнении с ними заметно медленнее, но могут обрабатывать до 100 000 различных метаболически молекул в секунду как входные сигналы. И все же предыдущие клеточные компьютеры даже близко не подошли к исчерпанию огромной метаболической вычислительной мощности человеческой клетки.
Процессор из биологических компонентов
Группа исследователей во главе с Мартином Фюссенеггером, профессором биотехнологии и биоинженерии на кафедре Биосистемной Науки и Техники в ETH Zurich в Базеле, в настоящее время нашли способ использовать биологические компоненты для создания гибкого процессора ядра, или центрального процессора (ЦП), который принимает различные виды программирования. Процессор, разработанный учеными из ETH, основан на модифицированной системе CRISPR-Cas9 и в основном может работать с любым количеством входов в виде молекул РНК (известных как направляющая РНК).
Специальный вариант белка Cas9 образует ядро процессора. В ответ на входные данные, поставляемые последовательностями направляющей РНК, ЦП регулирует экспрессию определенного гена, который, в свою очередь, создает определенный белок. С помощью этого подхода исследователи могут программировать масштабируемые схемы в клетках человека — как цифровые сумматоры, они состоят из двух входов и двух выходов и могут добавлять два одноразрядных двоичных числа.
Мощная многоядерная обработка данных
Исследователи сделали еще один шаг вперед: они создали биологический двухъядерный процессор, подобный тем, что есть в цифровом мире, путем интеграции двух ядер в клетку. Для этого они использовали компоненты CRISPR-Cas9 из двух разных бактерий. Фуссенеггер был очень доволен результатом, заявив: «Мы создали первый клеточный компьютер с более чем одним ядром процессора.»
Этот биологический компьютер не только чрезвычайно мал, но теоретически может быть масштабирован до любого мыслимого размера. — Представьте себе мини-ткань с миллиардами клеток, каждая из которых оснащена собственным двухъядерным процессором. Такие «вычислительные органы» теоретически могли бы достичь вычислительной мощности, которая намного превосходит мощность цифрового суперкомпьютера — и используя только часть энергии», — говорит Фюссенеггер.
Применение в диагностике и лечении
Клеточный компьютер может использоваться для обнаружения биологических сигналов в организме, таких как определенные продукты обмена веществ или химические сигналы, их обработки и соответствующей реакции на них. При правильно запрограммированном процессоре клетки могут интерпретировать два разных биомаркера как входные сигналы. Если присутствует только биомаркер «A», то биокомпьютер реагирует, формируя диагностическую молекулу или фармацевтическое вещество. Если биокомпьютер регистрирует только биомаркер «B», то он запускает производство другого вещества. Если оба биомаркера присутствуют, это вызывает еще третью реакцию. Такая система могла бы найти применение в медицине, например при лечении рака.
«Мы также можем 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 то, что рак метастазирует. Затем биокомпьютер производит химическое вещество, которое нацелено на эти метастазы для обработки.
Многоядерные процессоры возможны
«Этот клеточный компьютер может показаться очень революционной идеей, но это не так», — подчеркивает Фюссенеггер. Он продолжает: «Человеческое тело само по себе является большим компьютером. Его метаболизм с незапамятных времен опирался на вычислительную мощность триллионов клеток. Эти клетки постоянно получают информацию из внешнего мира или от других клеток, обрабатывают сигналы и реагируют соответствующим образом — будь то возникновение химических сигналов или запуск метаболических процессов. «И в отличие от технического суперкомпьютера, этому большому компьютеру нужен только кусок хлеба для питания», — указывает Фуссенеггер.
Его следующая цель — интегрировать многоядерную компьютерную структуру в клетку. «Так мы получим еще больше вычислительной мощности, чем нынешняя двухъядерная структура», — говорит он.
Источник: ETH Zurich