एक जीवित कोशिका में बायोसिंथेटिक दोहरे कोर कंप्यूटर

ETH वैज्ञानिकों ने मानव कोशिकाओं में CRISPR-Cas9 पर आधारित दो कोर प्रोसेसर को एकीकृत किया है। यह शक्तिशाली जैव रसायन बनाने की दिशा में एक बहुत बड़ा कदम है।

डिजिटल दुनिया से उधार मॉडल पर आधारित जीन स्विच का उपयोग करके जीन अभिव्यक्ति का प्रबंधन लंबे समय से सिंथेटिक जीव विज्ञान की मुख्य समस्याओं में से एक रहा है। डिजिटल विधि इनपुट संकेतों को संसाधित करने के लिए तर्क तत्वों का उपयोग करती है, जिसमें सर्किट बनाते हैं, उदाहरण के लिए, आउटपुट सिग्नल सी केवल तब बनाया जाता है जब इनपुट सिग्नल ए और बी एक ही समय में मौजूद होते हैं।

अब तक, बायोइन्जीनियर ने कोशिकाओं में प्रोटीन जीन स्विच का उपयोग करके ऐसे डिजिटल सर्किट बनाने का प्रयास किया है। हालांकि, उनके पास गंभीर दोष थे: वे लचीले नहीं थे, वे केवल सरल कार्यक्रमों को समझ सकते थे और एक समय में केवल एक इनपुट को संसाधित करने में सक्षम थे, उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट अणु। इस प्रकार, सेल में अधिक जटिल कम्प्यूटेशनल प्रक्रियाएं केवल विशिष्ट परिस्थितियों में ही संभव थीं, अविश्वसनीय और अक्सर विफल।

डिजिटल दुनिया में भी, सर्किट इलेक्ट्रॉनों के रूप में एकल इनपुट पर निर्भर करते हैं। हालांकि, इस तरह की योजनाएं अपनी गति के साथ इसकी भरपाई करती हैं, प्रति सेकंड अरबों कमांड निष्पादित करती हैं। कोशिकाएं उनकी तुलना में धीमी होती हैं, लेकिन इनपुट के रूप में प्रति सेकंड 100,000 विभिन्न अणुओं को संसाधित कर सकती हैं। और फिर भी, पिछले सेलुलर कंप्यूटर भी एक मानव सेल की भारी कंप्यूटिंग शक्ति को समाप्त करने के करीब नहीं आए हैं।

जैविक घटकों से केंद्रीय प्रोसेसर

बैसेल में ईटीएच ज्यूरिख में जैविक विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में जैव प्रौद्योगिकी और जैव प्रौद्योगिकी के प्रोफेसर मार्टिन फसेनेगर के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक लचीला केंद्रीय प्रोसेसर बनाने के लिए जैविक घटकों का उपयोग करने का एक तरीका ढूंढ लिया है जो विभिन्न कार्यक्रमों को स्वीकार करता है। ETH वैज्ञानिकों द्वारा विकसित प्रोसेसर, एक संशोधित CRISPR-Cas9 प्रणाली पर आधारित है और यह RNA अणुओं के रूप में किसी भी संख्या में इनपुट के साथ काम कर सकता है।

Cas9 प्रोटीन का एक विशेष संस्करण प्रोसेसर का मूल रूप है। आरएनए गाइड द्वारा किए गए इनपुट के जवाब में, प्रोसेसर जीन की अभिव्यक्ति को नियंत्रित करता है, जो बदले में एक विशिष्ट प्रोटीन का उत्पादन करता है। इस दृष्टिकोण के लिए धन्यवाद, शोधकर्ता मानव कोशिकाओं में स्केलेबल सर्किट का कार्यक्रम कर सकते हैं - उदाहरण के लिए, डिजिटल योजक, वे दो इनपुट और दो आउटपुट से मिलकर होते हैं और दो एकल-अंक बाइनरी संख्या जोड़ सकते हैं।

शक्तिशाली बहु-थ्रेडेड सूचना प्रसंस्करण

शोधकर्ताओं ने एक और कदम उठाया: उन्होंने एक डिजिटल एक के समान एक जैविक दोहरे कोर प्रोसेसर बनाया, एक सेल में दो कोर को एकीकृत किया। ऐसा करने के लिए, उन्होंने दो अलग-अलग बैक्टीरिया से CRISPR-Cas9 के घटकों का उपयोग किया। फ़ुस्सनेगर परिणाम से खुश थे, उन्होंने कहा: "हमने कई कोर के साथ पहला सेलुलर कंप्यूटर बनाया।"

यह जैविक कंप्यूटर न केवल बेहद छोटा है, बल्कि सैद्धांतिक रूप से किसी भी संभावित आकार में विस्तारित किया जा सकता है। “अरबों कोशिकाओं के साथ एक ऊतक की कल्पना करो, प्रत्येक अपने स्वयं के दोहरे कोर प्रोसेसर से लैस है। इस तरह के "कंप्यूटिंग अंगों" सैद्धांतिक रूप से प्रसंस्करण शक्ति प्राप्त कर सकते हैं जो अब तक एक डिजिटल सुपरकंप्यूटर की प्रसंस्करण शक्ति से अधिक है - और ऊर्जा के केवल एक छोटे से हिस्से का उपयोग करता है, "फुसेनेगर कहते हैं।

निदान और उपचार में आवेदन

एक सेलुलर कंप्यूटर का उपयोग शरीर में जैविक संकेतों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है, जैसे चयापचय उत्पाद या रासायनिक संकेत, उन्हें संसाधित करने और तदनुसार प्रतिक्रिया करने के लिए। एक ठीक से क्रमादेशित प्रोसेसर के साथ, कोशिकाएं इनपुट संकेतों के रूप में दो अलग-अलग बायोमार्करों की व्याख्या कर सकती हैं। यदि केवल बायोमार्कर ए मौजूद है, तो बायोकेम्प्यूटर एक नैदानिक ​​अणु या दवा पदार्थ का गठन करके प्रतिक्रिया करता है। यदि बायोकेम्प्यूटर केवल बायोमार्कर बी को पंजीकृत करता है, तो यह दूसरे पदार्थ के संश्लेषण को शुरू करता है। यदि दोनों बायोमार्कर मौजूद हैं, तो यह एक तीसरी प्रतिक्रिया का कारण बनता है। इस तरह की प्रणाली चिकित्सा में आवेदन पा सकती है, उदाहरण के लिए, कैंसर के उपचार में।

"हम फीडबैक को भी एकीकृत कर सकते हैं," फुसेनेगर कहते हैं। उदाहरण के लिए, यदि बायोमार्कर बी शरीर में एक निश्चित एकाग्रता में अधिक समय तक रहता है, तो यह कैंसर मेटास्टेसिस का संकेत दे सकता है। बायोकेम्प्यूटर कैंसर को मारने के उद्देश्य से एक रसायन का उत्पादन करेगा।

मल्टी-कोर प्रोसेसर संभव

"यह सेलुलर कंप्यूटर एक बहुत ही क्रांतिकारी विचार की तरह लग सकता है, लेकिन यह नहीं है," फुसेनेगर जोर देते हैं। वह जारी रखता है: “मानव शरीर अपने आप में एक बड़ा कंप्यूटर है। उनका चयापचय आदिकाल से ही अरबों-खरबों की कंप्यूटिंग शक्ति का उपयोग कर रहा है। ” ये कोशिकाएँ लगातार बाहरी दुनिया से या अन्य कोशिकाओं से जानकारी प्राप्त करती हैं, संकेतों की प्रक्रिया करती हैं और तदनुसार प्रतिक्रिया करती हैं - चाहे वह रासायनिक संकेत हों या चयापचय प्रक्रियाएँ। "और एक इलेक्ट्रॉनिक सुपर कंप्यूटर के विपरीत, इस बड़े कंप्यूटर को केवल ब्रेड के टुकड़े की आवश्यकता होती है," फ़ुसनेगर नोट्स।

उनका नया लक्ष्य एक मल्टी-कोर कंप्यूटर संरचना को एक सेल में एकीकृत करना है। "इसमें मौजूदा दोहरे कोर संरचना की तुलना में अधिक कंप्यूटिंग शक्ति होगी।"