Группа исследователей из Высшей технической школы Цюриха в Швейцарии (ETH Zurich) смогли создать первый в истории биосинтетический двухъядерный процессор в клетке человека. Для этого они задействовали широко используемый в генной инженерии метод CRISPR-Cas9, когда белки Cas9 с помощью управляемых и, можно сказать, запрограммированных действий видоизменяют, запоминают или проверяют чужеродные ДНК. А раз действия можно запрограммировать, то почему бы метод CRISPR не модифицировать для работы по аналогии с цифровыми вентилями?
Швейцарские учёные во главе с руководителем проекта профессором Мартином Фуссенеггером (Martin Fussenegger) смогли встроить в клетку человека две ДНК-последовательности CRISPR от двух разных бактерий. Под воздействием белка Cas9 и в зависимости от подающихся в клетку цепочек РНК каждая из последовательностей вырабатывала свой уникальный белок. Тем самым происходила так называемая управляемая экспрессия генов, когда на основе записанной в ДНК информации создаётся некий новый продукт ― белок или РНК. По аналогии с цифровыми сетями разработанный швейцарскими учёными процесс можно представить в виде логического полусумматора с двумя входами и двумя выходами. Сигнал на выходе (вариант белка) зависит от двух сигналов на входе.
Биологические процессы в живых клетках по скорости работы не могут сравниться с цифровыми вычислительными цепями. Но клетки могут работать с высочайшей степенью параллелизма, за раз обрабатывая на входе до 100 000 молекул. Представьте себе живую ткань с миллионами двухъядерных «процессоров». Такой компьютер может представить впечатляющую даже по современным меркам производительность. Но даже если отбросить в сторону создание «прямоходящих» суперкомпьютеров, встроенные в тело человека искусственные логические блоки могут помочь в диагностике и лечении заболеваний, включая онкологические.
Такие блоки могут обрабатывать на входе биологическую информацию в организме человека и генерировать как диагностические сигналы, так и фармакологические последовательности. В случае начала процесса появления метастазов, например, искусственные логические цепи могли бы начать вырабатывать подавляющие онкологические явления ферменты. Применений данному явлению множество, а реализация способна изменить человека и мир.
Биологический процессор гибкий и понимает различные типы программирования. Он создан на основе модифицированной системы CRISPR/Cas9 и работает с любым количеством входящих сигналов в форме молекул РНК.
Управление экспрессией генов через генные переключатели — идея, заимствованная у цифровых технологий — давно считается одной из главных задач синтетической биологии. В основе компьютеров лежат так называемые логические вентили, преобразующие входящие сигналы — И, ИЛИ, НЕ и другие. Такие же схемы биологи пытаются построить с помощью белковых генных переключателей в клетках, пишет Phys.org.
Традиционно у них есть серьезные недостатки: они не слишком гибкие, поддерживают только самые простые программы и могут обработать только один входящий сигнал за раз. Более сложные вычислительные процессы в клетках возможны лишь при определенных обстоятельствах, при этом реализованы они ненадежно.
Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха утверждают, что значительно продвинулись в создании полноценного «биологического вычислителя». Ядро созданного ими процессора образует особый вариант белка Cas9. В ответ на сигнал, который доставляют цепочки РНК, ЦПУ регулирует экспрессию отдельного гена, который, в свою очередь, создает заданный белок. Так можно программировать цепи внутри клеток человека — как цифровые полусумматоры, они состоят из двух входящих и двух исходящих сигналов и могут складывать два однозначных двоичных числа.
Ученые не остановились на этом. Они создали биологический двухъядерный процессор, интегрировав в клетку два ядра. Для этого они использовали компоненты CRISPR/Cas9 двух различных бактерий.
«Мы создали первый клеточный компьютер с больше чем одним процессором, — заявил профессор Мартин Фуссенеггер. — Представьте себе микроткань из миллиарда клеток, каждая из которых оснащена собственным двухъядерным процессором. Такой „вычислительный орган“ может, теоретически, обеспечивать вычислительную мощность, намного превосходящую цифровой суперкомпьютер, потребляя лишь небольшую часть нужной ему энергии».
Недавно американские ученые показали прототип ДНК-компьютера, внутри которого — молекулы, кодирующие по шесть бит информации. Его научили вычислять кратность трем, сравнивать два числа, считать до 63 и рисовать заданные узоры.
Источник:
www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190416081416.htm
www.pnas.org/content/116/15/7214
