Para ilmuwan ETH telah mengintegrasikan dua prosesor inti berbasis CRISPR-Cas9 dalam sel manusia. Ini adalah langkah besar untuk menciptakan biokomputer yang kuat.
Mengelola ekspresi gen menggunakan sakelar gen berdasarkan model yang dipinjam dari dunia digital telah lama menjadi salah satu masalah utama biologi sintetis. Metode digital menggunakan elemen logika untuk memproses sinyal input, membuat sirkuit di mana, misalnya, sinyal output C dibuat hanya ketika sinyal input A dan B hadir pada waktu yang sama.
Sejauh ini, bioengineer telah berusaha untuk membuat sirkuit digital seperti itu menggunakan saklar gen protein dalam sel. Namun, mereka memiliki kelemahan serius: mereka tidak fleksibel, mereka hanya dapat memahami program sederhana dan mampu memproses hanya satu input pada suatu waktu, misalnya, molekul tertentu. Dengan demikian, proses komputasi yang lebih kompleks dalam sel hanya dimungkinkan dalam kondisi tertentu, tidak dapat diandalkan dan sering gagal.
Bahkan di dunia digital, sirkuit bergantung pada satu input dalam bentuk elektron. Namun, skema semacam itu mengimbangi ini dengan kecepatannya, mengeksekusi miliaran perintah per detik. Sel lebih lambat dibandingkan dengan mereka, tetapi dapat memproses 100.000 molekul berbeda per detik sebagai input. Namun, komputer seluler masa lalu bahkan belum mendekati melelahkan daya komputasi yang sangat besar dari sel manusia.
Prosesor sentral dari komponen biologis
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Martin Fussenegger, profesor bioteknologi dan bioteknologi di Departemen Ilmu dan Teknik Biologi di
ETH Zurich di Basel, kini telah menemukan cara untuk menggunakan komponen biologis untuk membuat prosesor sentral yang fleksibel yang menerima berbagai program. Prosesor, yang dikembangkan oleh para ilmuwan ETH, didasarkan pada sistem
CRISPR-Cas9 yang dimodifikasi dan dapat bekerja dengan sejumlah input dalam bentuk molekul RNA.
Versi khusus dari protein Cas9 membentuk inti dari prosesor. Menanggapi input yang dibuat oleh panduan RNA, prosesor mengatur ekspresi gen, yang pada gilirannya menghasilkan protein spesifik. Berkat pendekatan ini, para peneliti dapat memprogram sirkuit yang dapat diukur dalam sel manusia - misalnya, digital adders, mereka terdiri dari dua input dan dua output dan dapat menambahkan dua angka biner satu digit.
Pemrosesan informasi multi-thread yang kuat
Para peneliti mengambil langkah lain: mereka menciptakan prosesor dual-core biologis, mirip dengan yang digital, mengintegrasikan dua core ke dalam sel. Untuk melakukan ini, mereka menggunakan komponen CRISPR-Cas9 dari dua bakteri yang berbeda. Fussenegger senang dengan hasilnya, mengatakan: "Kami menciptakan komputer seluler pertama dengan beberapa core."
Komputer biologis ini tidak hanya sangat kecil, tetapi secara teoritis dapat diperluas ke ukuran yang memungkinkan. “Bayangkan sebuah jaringan dengan miliaran sel, masing-masing dilengkapi dengan prosesor dual-core sendiri. "Organ komputasi" seperti itu secara teoretis dapat mencapai kekuatan pemrosesan yang jauh melebihi kekuatan pemrosesan superkomputer digital - dan hanya menggunakan sebagian kecil energi, "kata Fussenegger.
Aplikasi dalam diagnosis dan perawatan
Komputer seluler dapat digunakan untuk mendeteksi sinyal biologis dalam tubuh, seperti produk metabolisme atau sinyal kimia, untuk memprosesnya dan meresponsnya. Dengan prosesor yang diprogram dengan baik, sel-sel dapat menginterpretasikan dua biomarker yang berbeda sebagai sinyal input. Jika hanya biomarker A yang ada, maka biokomputer merespons dengan membentuk molekul diagnostik atau zat farmasi. Jika biokomputer hanya mendaftarkan biomarker B, ia memulai sintesis zat lain. Jika kedua biomarker hadir, ini menyebabkan reaksi ketiga. Sistem semacam itu dapat menemukan aplikasi dalam pengobatan, misalnya, dalam pengobatan kanker.
"Kami juga bisa mengintegrasikan umpan balik," kata Fussenegger. Misalnya, jika biomarker B tetap berada di dalam tubuh untuk periode waktu yang lebih lama pada konsentrasi tertentu, ini dapat mengindikasikan metastasis kanker. Biocomputer akan menghasilkan bahan kimia yang bertujuan membunuh kanker.
Prosesor multi-core memungkinkan
"Komputer seluler ini mungkin tampak seperti ide yang sangat revolusioner, tetapi tidak," Fussenegger menekankan. Dia melanjutkan: “Tubuh manusia itu sendiri adalah komputer besar. Metabolismenya telah menggunakan kekuatan komputasi triliunan sel sejak dahulu kala. ” Sel-sel ini secara konstan menerima informasi dari dunia luar atau dari sel-sel lain, memproses sinyal dan bereaksi sesuai - apakah itu sinyal kimia atau awal dari proses metabolisme. "Dan tidak seperti superkomputer elektronik, komputer besar ini hanya membutuhkan sepotong roti," catatan Fussenegger.
Tujuan barunya adalah mengintegrasikan struktur komputer multi-inti ke dalam sel. "Ini akan memiliki kekuatan komputasi lebih dari struktur dual-core saat ini."