Les scientifiques de l'ETH ont intégré deux processeurs à base de CRISPR-Cas9 dans les cellules humaines. Il s'agit d'une étape énorme vers la création de puissants bio-ordinateurs.
La gestion de l'expression des gènes à l'aide de commutateurs de gènes basés sur un modèle emprunté au monde numérique est depuis longtemps l'un des principaux problèmes de la biologie synthétique. La méthode numérique utilise des éléments logiques pour traiter les signaux d'entrée, créant des circuits dans lesquels, par exemple, le signal de sortie C est créé uniquement lorsque les signaux d'entrée A et B sont présents en même temps.
Jusqu'à présent, les bio-ingénieurs ont tenté de créer de tels circuits numériques en utilisant des commutateurs de gènes protéiques dans les cellules. Cependant, ils présentaient de graves défauts: ils n'étaient pas flexibles, ils ne pouvaient comprendre que des programmes simples et n'étaient capables de traiter qu'une seule entrée à la fois, par exemple, une molécule spécifique. Ainsi, des processus de calcul plus complexes dans la cellule n'étaient possibles que dans des conditions spécifiques, peu fiables et souvent défaillants.
Même dans le monde numérique, les circuits dépendent d'une seule entrée sous forme d'électrons. Cependant, de tels schémas compensent cela avec leur vitesse, exécutant des milliards de commandes par seconde. Les cellules sont plus lentes par rapport à elles, mais peuvent traiter 100 000 molécules différentes par seconde en entrée. Et pourtant, les ordinateurs cellulaires du passé n'ont même pas failli épuiser l'énorme puissance de calcul d'une cellule humaine.
Processeur central à partir de composants biologiques
Une équipe de chercheurs dirigée par Martin Fussenegger, professeur de biotechnologie et de bio-ingénierie au Département des sciences biologiques et d'ingénierie de l'
ETH Zurich à Bâle, a maintenant trouvé un moyen d'utiliser des composants biologiques pour créer un processeur central flexible qui accepte divers programmes. Le processeur, développé par les scientifiques de l'ETH, est basé sur un système
CRISPR-Cas9 modifié et peut fonctionner avec n'importe quel nombre d'entrées sous forme de molécules d'ARN.
Une version spéciale de la protéine Cas9 constitue le cœur du processeur. En réponse à l'apport des guides d'ARN, le processeur régule l'expression du gène, qui à son tour produit une protéine spécifique. Grâce à cette approche, les chercheurs peuvent programmer des circuits évolutifs dans des cellules humaines - par exemple, des additionneurs numériques, ils se composent de deux entrées et de deux sorties et peuvent ajouter deux nombres binaires à un chiffre.
Traitement d'informations multithread puissant
Les chercheurs ont franchi une autre étape: ils ont créé un processeur biologique à double cœur, similaire à un processeur numérique, intégrant deux cœurs dans une cellule. Pour ce faire, ils ont utilisé des composants de CRISPR-Cas9 de deux bactéries différentes. Fussenegger était ravi du résultat, déclarant: "Nous avons créé le premier ordinateur cellulaire avec plusieurs cœurs."
Cet ordinateur biologique est non seulement extrêmement petit, mais peut théoriquement être étendu à n'importe quelle taille possible. «Imaginez un tissu avec des milliards de cellules, chacune équipée de son propre processeur dual-core. De tels "organes informatiques" peuvent théoriquement atteindre une puissance de calcul qui dépasse de loin la puissance de traitement d'un supercalculateur numérique - et n'utilise qu'une petite fraction de l'énergie ", explique Fussenegger.
Application au diagnostic et au traitement
Un ordinateur cellulaire peut être utilisé pour détecter des signaux biologiques dans le corps, tels que des produits métaboliques ou des signaux chimiques, pour les traiter et réagir en conséquence. Avec un processeur correctement programmé, les cellules peuvent interpréter deux biomarqueurs différents comme des signaux d'entrée. Si seul le biomarqueur A est présent, le bio-ordinateur répond en formant une molécule diagnostique ou une substance pharmaceutique. Si le bio-ordinateur enregistre uniquement le biomarqueur B, il démarre la synthèse d'une autre substance. Si les deux biomarqueurs sont présents, cela provoque une troisième réaction. Un tel système peut trouver une application en médecine, par exemple dans le traitement du cancer.
«Nous pourrions également intégrer les commentaires», explique Fussenegger. Par exemple, si le biomarqueur B reste dans le corps pendant une période plus longue à une certaine concentration, cela peut indiquer une métastase cancéreuse. Le bio-ordinateur produira un produit chimique destiné à tuer le cancer.
Processeurs multicœurs possibles
"Cet ordinateur cellulaire peut sembler une idée très révolutionnaire, mais ce n'est pas le cas", souligne Fussenegger. Il poursuit: «Le corps humain lui-même est un grand ordinateur. Son métabolisme utilise la puissance de calcul de milliers de milliards de cellules depuis des temps immémoriaux. » Ces cellules reçoivent constamment des informations du monde extérieur ou d'autres cellules, traitent les signaux et réagissent en conséquence - qu'il s'agisse de signaux chimiques ou du début de processus métaboliques. «Et contrairement à un supercalculateur électronique, ce gros ordinateur n'a besoin que d'un morceau de pain», note Fussenegger.
Son nouvel objectif est d'intégrer une structure informatique multicœur dans une cellule. "Il aura plus de puissance de calcul que la structure dual-core actuelle."