Los científicos de ETH han integrado un procesador de dos núcleos basado en CRISPR-Cas9 en células humanas. Este es un gran paso hacia la creación de biocomputadoras poderosas.
La gestión de la expresión génica mediante el uso de interruptores génicos basados en un modelo prestado del mundo digital ha sido uno de los principales problemas de la biología sintética. El método digital utiliza elementos lógicos para procesar las señales de entrada, creando circuitos en los que, por ejemplo, la señal de salida C se crea solo cuando las señales de entrada A y B están presentes al mismo tiempo.
Hasta ahora, los bioingenieros han intentado crear tales circuitos digitales utilizando interruptores de genes de proteínas en las células. Sin embargo, tenían fallas graves: no eran flexibles, solo podían comprender programas simples y podían procesar solo una entrada a la vez, por ejemplo, una molécula específica. Por lo tanto, los procesos computacionales más complejos en la célula solo fueron posibles bajo condiciones específicas, poco confiables y a menudo fallidos.
Incluso en el mundo digital, los circuitos dependen de una sola entrada en forma de electrones. Sin embargo, tales esquemas compensan esto con su velocidad, ejecutando miles de millones de comandos por segundo. Las células son más lentas en comparación con ellas, pero pueden procesar 100.000 moléculas diferentes por segundo como entrada. Y, sin embargo, las computadoras celulares del pasado ni siquiera han llegado a agotar la enorme potencia informática de una célula humana.
Procesador central a partir de componentes biológicos.
Un equipo de investigadores dirigido por Martin Fussenegger, profesor de biotecnología y bioingeniería en el Departamento de Ciencias e Ingeniería Biológicas en
ETH Zurich en Basilea, ha encontrado una manera de usar componentes biológicos para crear un procesador central flexible que acepte varios programas. El procesador, desarrollado por científicos de ETH, se basa en un
sistema CRISPR-Cas9 modificado y puede funcionar con cualquier cantidad de entradas en forma de moléculas de ARN.
Una versión especial de la proteína Cas9 forma el núcleo del procesador. En respuesta a la entrada realizada por las guías de ARN, el procesador regula la expresión del gen, que a su vez produce una proteína específica. Gracias a este enfoque, los investigadores pueden programar circuitos escalables en células humanas; por ejemplo, sumadores digitales, consisten en dos entradas y dos salidas y pueden agregar dos números binarios de un solo dígito.
Potente procesamiento de información multiproceso
Los investigadores dieron otro paso: crearon un procesador biológico de doble núcleo, similar a uno digital, integrando dos núcleos en una célula. Para hacer esto, utilizaron componentes de CRISPR-Cas9 de dos bacterias diferentes. Fussenegger estaba encantado con el resultado, diciendo: "Creamos la primera computadora celular con varios núcleos".
Esta computadora biológica no solo es extremadamente pequeña, sino que teóricamente se puede expandir a cualquier tamaño posible. “Imagine un tejido con miles de millones de células, cada una equipada con su propio procesador de doble núcleo. Dichos "órganos informáticos" pueden alcanzar teóricamente una potencia de procesamiento que supera con creces la potencia de procesamiento de una supercomputadora digital, y utiliza solo una pequeña fracción de la energía ", dice Fussenegger.
Aplicación en el diagnóstico y tratamiento.
Se puede usar una computadora celular para detectar señales biológicas en el cuerpo, como productos metabólicos o señales químicas, para procesarlas y responder en consecuencia. Con un procesador debidamente programado, las células pueden interpretar dos biomarcadores diferentes como señales de entrada. Si solo está presente el biomarcador A, entonces el biocomputador responde formando una molécula diagnóstica o sustancia farmacéutica. Si el biocomputador solo registra el biomarcador B, comienza la síntesis de otra sustancia. Si ambos biomarcadores están presentes, esto provoca una tercera reacción. Tal sistema puede encontrar aplicación en medicina, por ejemplo, en el tratamiento del cáncer.
"También podríamos integrar la retroalimentación", dice Fussenegger. Por ejemplo, si el biomarcador B permanece en el cuerpo durante un período de tiempo más largo a una determinada concentración, esto puede indicar metástasis de cáncer. La biocomputadora producirá una sustancia química destinada a matar el cáncer.
Procesadores multi-core posibles
"Esta computadora celular puede parecer una idea muy revolucionaria, pero no lo es", enfatiza Fussenegger. Él continúa: “El cuerpo humano en sí mismo es una computadora grande. Su metabolismo ha estado utilizando el poder informático de billones de células desde tiempos inmemoriales ". Estas células reciben constantemente información del mundo exterior o de otras células, procesan señales y reaccionan en consecuencia, ya sean señales químicas o el inicio de procesos metabólicos. "Y a diferencia de una supercomputadora electrónica, esta gran computadora solo necesita un pedazo de pan", señala Fussenegger.
Su nuevo objetivo es integrar una estructura de computadora multinúcleo en una célula. "Tendrá más potencia informática que la actual estructura de doble núcleo".