قام علماء ETH بدمج معالجين أساسيين على أساس كريسبر-كاس 9 في الخلايا البشرية. هذه خطوة كبيرة نحو إنشاء أجهزة كمبيوتر حيوية قوية.
لطالما كانت إدارة التعبير الجيني باستخدام مفاتيح الجينات المستندة إلى نموذج مستعار من العالم الرقمي واحدة من المشكلات الرئيسية في البيولوجيا التركيبية. تستخدم الطريقة الرقمية عناصر المنطق لمعالجة إشارات الإدخال ، وإنشاء دوائر يتم فيها ، على سبيل المثال ، إنشاء إشارة الإخراج C فقط عندما تكون إشارات الدخل A و B موجودة في نفس الوقت.
حتى الآن ، حاول علماء الهندسة الحيوية إنشاء مثل هذه الدوائر الرقمية باستخدام مفاتيح جين البروتين في الخلايا. ومع ذلك ، كانت لديهم عيوب خطيرة: لم تكن مرنة ، وكانوا يفهمون فقط البرامج البسيطة وكانوا قادرين على معالجة مدخلات واحدة فقط في وقت واحد ، على سبيل المثال ، جزيء معين. وبالتالي ، فإن العمليات الحسابية الأكثر تعقيدًا في الخلية كانت ممكنة فقط في ظل ظروف محددة ، وغير موثوق بها وفشلت في كثير من الأحيان.
حتى في العالم الرقمي ، تعتمد الدوائر على مدخلات واحدة في شكل إلكترونات. ومع ذلك ، تعوض مثل هذه المخططات عن ذلك من خلال سرعتها ، وتنفيذ مليارات الأوامر في الثانية الواحدة. الخلايا أبطأ مقارنةً بها ، لكن يمكنها معالجة 100،000 جزيء مختلف في الثانية كمدخلات. ومع ذلك ، فإن أجهزة الكمبيوتر الخلوية السابقة لم تقترب حتى من استنفاد القوة الحاسوبية الهائلة للخلية البشرية.
المعالج المركزي من المكونات البيولوجية
اكتشف فريق بحث بقيادة مارتن فوسنيجر ، أستاذ التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية في قسم العلوم والهندسة البيولوجية في
ETH زيوريخ في بازل ، الآن طريقة لاستخدام المكونات البيولوجية لإنشاء معالج مركزي مرن يقبل البرامج المختلفة. يعتمد المعالج ، الذي طوره علماء ETH ، على
نظام CRISPR-Cas9 معدل ويمكنه العمل مع أي عدد من المدخلات في شكل جزيئات الحمض النووي الريبي.
تشكل نسخة خاصة من بروتين Cas9 جوهر المعالج. استجابة للمدخلات التي قدمتها أدلة الحمض النووي الريبي ، ينظم المعالج تعبير الجين ، الذي ينتج بدوره بروتينًا محددًا. بفضل هذا النهج ، يمكن للباحثين برمجة دوائر قابلة للتطوير في الخلايا البشرية - على سبيل المثال ، المضافات الرقمية ، فهي تتكون من مدخلات ومخرجين ويمكنهما إضافة رقمين ثنائي الرقم.
معالجة معلومات قوية متعددة الخيوط
اتخذ الباحثون خطوة أخرى: قاموا بإنشاء معالج بيولوجي ثنائي النواة ، على غرار المعالج الرقمي ، بدمج اثنين من النوى في الخلية. للقيام بذلك ، استخدموا مكونات كريسبر Cas9 من اثنين من البكتيريا المختلفة. كان فوسنيجر سعيدًا بالنتيجة ، قائلاً: "لقد أنشأنا أول كمبيوتر خلوي به عدة نوى."
هذا الكمبيوتر البيولوجي ليس صغيراً للغاية ، ولكن من الناحية النظرية يمكن توسيعه إلى أي حجم ممكن. تخيل أنسجة تحتوي على مليارات الخلايا ، كل منها مجهز بمعالج ثنائي النواة. يقول فوسنيجر: "يمكن لهذه الأجهزة الحوسبية من الناحية النظرية أن تحقق قوة معالجة تفوق بكثير قدرة معالجة حاسوب عملاق رقمي - ولا تستخدم سوى جزء صغير من الطاقة".
تطبيق في التشخيص والعلاج
يمكن استخدام الكمبيوتر الخلوي للكشف عن الإشارات البيولوجية في الجسم ، مثل المنتجات الأيضية أو الإشارات الكيميائية ، لمعالجتها والرد عليها وفقًا لذلك. باستخدام معالج مبرمج بشكل صحيح ، يمكن للخلايا تفسير اثنين من العلامات الحيوية المختلفة كإشارات إدخال. في حالة وجود علامة بيولوجية فقط ، يستجيب الكمبيوتر الحيوي من خلال تكوين جزيء تشخيصي أو مادة دوائية. إذا كان الكمبيوتر الحيوي يسجل العلامة البيولوجية B فقط ، فسيبدأ في تركيب مادة أخرى. إذا كان كلا المرقمان الحيويان موجودين ، فإن هذا يؤدي إلى تفاعل ثالث. قد يجد هذا النظام تطبيقًا في الطب ، على سبيل المثال ، في علاج السرطان.
يقول فوسنيجر: "يمكننا أيضًا دمج التعليقات". على سبيل المثال ، إذا بقيت المرمز الحيوي B في الجسم لفترة زمنية أطول بتركيز معين ، فقد يشير ذلك إلى ورم خبيث في السرطان. سينتج الكمبيوتر الحيوي مادة كيميائية تهدف إلى القضاء على السرطان.
معالجات متعددة النواة ممكن
"قد يبدو هذا الكمبيوتر الخلوي فكرة ثورية للغاية ، لكنه ليس كذلك" ، يؤكد فوسنيجر. وتابع: "جسم الإنسان نفسه هو جهاز كمبيوتر كبير. استقلابه يستخدم القوة الحوسبة لتريليونات الخلايا منذ زمن سحيق. تتلقى هذه الخلايا باستمرار معلومات من العالم الخارجي أو من خلايا أخرى ، وتقوم بمعالجة الإشارات وتتفاعل وفقًا لها - سواء كانت إشارات كيميائية أو بداية عمليات استقلابية. "على عكس الكمبيوتر العملاق الإلكتروني ، يحتاج هذا الكمبيوتر الكبير إلى قطعة خبز فقط" ، يلاحظ Fussenegger.
هدفه الجديد هو دمج بنية الكمبيوتر متعددة النواة في الخلية. "سيكون لديها قوة حسابية أكثر من البنية ثنائية النواة الحالية."