ETH-Wissenschaftler haben zwei auf CRISPR-Cas9 basierende Kernprozessoren in menschliche Zellen integriert. Dies ist ein großer Schritt zur Schaffung leistungsfähiger Biocomputer.
Das Management der Genexpression mithilfe von Genschaltern auf der Grundlage eines Modells aus der digitalen Welt ist seit langem eines der Hauptprobleme der synthetischen Biologie. Das digitale Verfahren verwendet Logikelemente, um die Eingangssignale zu verarbeiten, wobei Schaltungen erzeugt werden, in denen beispielsweise das Ausgangssignal C nur dann erzeugt wird, wenn die Eingangssignale A und B gleichzeitig vorhanden sind.
Bisher haben Bioingenieure versucht, solche digitalen Schaltkreise mithilfe von Proteingen-Schaltern in Zellen zu erstellen. Sie hatten jedoch schwerwiegende Mängel: Sie waren nicht flexibel, konnten nur einfache Programme verstehen und jeweils nur eine Eingabe verarbeiten, beispielsweise ein bestimmtes Molekül. Somit waren komplexere Rechenprozesse in der Zelle nur unter bestimmten Bedingungen möglich, unzuverlässig und oft gescheitert.
Selbst in der digitalen Welt sind Schaltkreise auf einen einzigen Eingang in Form von Elektronen angewiesen. Solche Schemata kompensieren dies jedoch durch ihre Geschwindigkeit und führen Milliarden von Befehlen pro Sekunde aus. Zellen sind im Vergleich zu ihnen langsamer, können jedoch 100.000 verschiedene Moleküle pro Sekunde als Eingabe verarbeiten. Und doch haben frühere zellulare Computer die enorme Rechenleistung einer menschlichen Zelle noch nicht annähernd erschöpft.
Zentralprozessor aus biologischen Komponenten
Ein Forscherteam unter der Leitung von Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioingenieurwesen am Institut für Biowissenschaften und Ingenieurwesen der
ETH Zürich in Basel, hat nun einen Weg gefunden, mit biologischen Komponenten einen flexiblen Zentralprozessor zu schaffen, der verschiedene Programme akzeptiert. Der von ETH-Wissenschaftlern entwickelte Prozessor basiert auf einem modifizierten
CRISPR-Cas9-System und kann mit einer beliebigen Anzahl von Eingaben in Form von RNA-Molekülen arbeiten.
Eine spezielle Version des Cas9-Proteins bildet den Kern des Prozessors. In Reaktion auf die Eingabe der RNA-Guides reguliert der Prozessor die Expression des Gens, das wiederum ein spezifisches Protein produziert. Dank dieses Ansatzes können Forscher skalierbare Schaltkreise in menschlichen Zellen programmieren - beispielsweise digitale Addierer, die aus zwei Eingängen und zwei Ausgängen bestehen und zwei einstellige Binärzahlen hinzufügen können.
Leistungsstarke Multithread-Informationsverarbeitung
Die Forscher machten einen weiteren Schritt: Sie entwickelten einen biologischen Dual-Core-Prozessor, ähnlich einem digitalen, der zwei Kerne in eine Zelle integriert. Dazu verwendeten sie Komponenten von CRISPR-Cas9 aus zwei verschiedenen Bakterien. Fussenegger freute sich über das Ergebnis und sagte: "Wir haben den ersten Mobilfunkcomputer mit mehreren Kernen geschaffen."
Dieser biologische Computer ist nicht nur extrem klein, sondern kann theoretisch auf jede mögliche Größe erweitert werden. „Stellen Sie sich ein Gewebe mit Milliarden von Zellen vor, die jeweils mit einem eigenen Dual-Core-Prozessor ausgestattet sind. Solche „Rechenorgane“ können theoretisch eine Rechenleistung erzielen, die weit über der Rechenleistung eines digitalen Supercomputers liegt - und nur einen kleinen Teil der Energie verbraucht “, sagt Fussenegger.
Anwendung in der Diagnose und Behandlung
Ein zellularer Computer kann verwendet werden, um biologische Signale im Körper, wie Stoffwechselprodukte oder chemische Signale, zu erfassen, zu verarbeiten und entsprechend zu reagieren. Mit einem richtig programmierten Prozessor können Zellen zwei verschiedene Biomarker als Eingangssignale interpretieren. Wenn nur Biomarker A vorhanden ist, reagiert der Biocomputer mit der Bildung eines diagnostischen Moleküls oder einer pharmazeutischen Substanz. Wenn der Biocomputer nur den Biomarker B registriert, startet er die Synthese einer anderen Substanz. Wenn beide Biomarker vorhanden sind, führt dies zu einer dritten Reaktion. Ein solches System kann in der Medizin Anwendung finden, beispielsweise bei der Behandlung von Krebs.
„Wir könnten auch Feedback integrieren“, sagt Fussenegger. Wenn beispielsweise der Biomarker B bei einer bestimmten Konzentration über einen längeren Zeitraum im Körper verbleibt, kann dies auf eine Krebsmetastasierung hinweisen. Der Biocomputer wird eine Chemikalie produzieren, die Krebs abtöten soll.
Mehrkernprozessoren möglich
"Dieser zellulare Computer scheint eine sehr revolutionäre Idee zu sein, ist es aber nicht", betont Fussenegger. Er fährt fort: „Der menschliche Körper selbst ist ein großer Computer. Sein Stoffwechsel nutzt seit jeher die Rechenleistung von Billionen von Zellen. “ Diese Zellen erhalten ständig Informationen von der Außenwelt oder von anderen Zellen, verarbeiten Signale und reagieren entsprechend - ob es sich um chemische Signale oder den Beginn von Stoffwechselprozessen handelt. „Und im Gegensatz zu einem elektronischen Supercomputer benötigt dieser große Computer nur ein Stück Brot“, stellt Fussenegger fest.
Sein neues Ziel ist es, eine Multi-Core-Computerstruktur in eine Zelle zu integrieren. "Es wird mehr Rechenleistung haben als die derzeitige Dual-Core-Struktur."