Основываясь на цифровых примерах, исследователи внедрили два ядра из биологических материалов в клетки человека.

Команда исследователей во главе с Мартином Фуссенеггером, профессором биотехнологии и биоинженерии в Департаменте биологических наук и инженерии в ETH Zurich в Базеле, в настоящее время нашли способ использовать биологические компоненты для создания гибкого основного процессора или центрального процессора (CPU), который принимает различные виды программирования. Процессор, разработанный учеными ETH, основан на модифицированной системе CRISPR-Cas9 и в основном может работать с любым количеством входов в виде молекул РНК (известных как направляющие РНК).

мощных биокомпьютер, процессор, ядро, человек, программирование
Основываясь на цифровых примерах, исследователи внедрили два ядра из биологических материалов в клетки человека.
 

Сфера синтетической биологии продолжает развиваться семимильными шагами, что сегодня было в очередной раз продемонстрировано специалистами из Высшей Политехнической школы Цюриха в Швейцарии – команда ученых сумела видоизменить работу популярного генного модификатора CRISPR для того, чтобы встраивать в человеческие клетки самые что ни на есть двухъядерные процессоры. Звучит это довольно странно и даже невозможно, однако на деле все оказывается реальным и очень даже логичным – поскольку организм человека сам в некотором роде представляет собой компьютер с определенными алгоритмическими механизмами импульса и результата.

 

 

Храня это сравнение в уме, специалисты из Швейцарии сумели модифицировать технику последовательного генного редактирования CRISPR для того, чтобы изменить работу самого главного энзима Cas9, применяемого в генной терапии и срезах. В рамках данного эксперимента, ученые изменили функции энзима таким образом, чтобы он работал в качестве цифрового командного пункта, собирая один-два импульса и запуская, в зависимости от этих импульсов, определенный результат метаболизма и внутренних клеточных процессов.

 

Причем сам энзим, в своем статусе двухъядерного процессора, был встроен непосредственно в клетки – что позволило ученым не только значительно уменьшить его размер, но и увеличить “цифровой” функционал, добавив связи с некоторыми дополнительными генами и генными цепочками. Что и привело к очередному этапу развития синтетической биологии, которая в будущем, потенциально, сможет предоставлять и предлагать значительно более сложные процессы и операции подобного рода.

 

Цифровой метод использует так называемые логические элементы для обработки входных сигналов, создавая схемы, в которых, например, выходной сигнал C создается только тогда, когда одновременно присутствуют входные сигналы A и B.

мощных биокомпьютер, процессор, ядро, человек, программирование
 
 

До настоящего времени биотехнологи пытались создать такие цифровые схемы с помощью белковых генных переключателей в клетках. Однако у них были некоторые серьезные недостатки: они были не очень гибкими, могли принимать только простое программирование и были способны обрабатывать только один ввод за раз, например, специфическую метаболическую молекулу. Таким образом, более сложные вычислительные процессы в ячейках возможны только при определенных условиях, ненадежны и часто терпят неудачу.

 

Даже в цифровом мире схемы зависят от одного входа в форме электронов. Однако такие схемы компенсируют это своей скоростью, выполняя до миллиарда команд в секунду. Клетки медленнее по сравнению, но могут обрабатывать до 100 000 различных метаболических молекул в секунду в качестве входных данных.

 

 

Особый вариант белка Cas9 образует ядро ​​процессора. В ответ на ввод, осуществляемый направляющими последовательностями РНК, ЦП регулирует экспрессию определенного гена, который, в свою очередь, производит определенный белок. Благодаря такому подходу исследователи могут программировать масштабируемые схемы в клетках человека - например, цифровые половинные сумматоры, они состоят из двух входов и двух выходов и могут добавлять два однозначных двоичных числа.

 

Мощная многоядерная обработка данных

Исследователи сделали еще один шаг: они создали биологический двухъядерный процессор, аналогичный цифровому миру, интегрировав два ядра в ячейку. Для этого они использовали компоненты CRISPR-Cas9 от двух разных бактерий. Фуссенеггер был в восторге от результата, заявив: «Мы создали первый сотовый компьютер с более чем одним ядром».

 

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

 

Приложения в диагностике и лечении

Сотовый компьютер может использоваться для обнаружения биологических сигналов в организме, таких как определенные продукты обмена веществ или химические мессенджеры, для их обработки и соответствующего реагирования на них. При правильно запрограммированном процессоре клетки могут интерпретировать два разных биомаркера как входные сигналы. Если присутствует только биомаркер А, то биокомпьютер отвечает, формируя диагностическую молекулу или фармацевтическое вещество. Если биокомпьютер регистрирует только биомаркер B, он запускает производство другого 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 тогда произведет химическое вещество, которое предназначается для тех наростов для обработки.

 

Возможны многоядерные процессоры

«Этот сотовый компьютер может показаться очень революционной идеей, но это не так», - подчеркивает Фуссенеггер. Он продолжает: «Само тело человека - это большой компьютер. Его метаболизм использует вычислительную мощь триллионов клеток с незапамятных времен ». Эти клетки постоянно получают информацию из внешнего мира или от других клеток, обрабатывают сигналы и реагируют соответствующим образом - будь то излучение химических посланников или запуск метаболических процессов.

 

Источник

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!