Os cientistas da ETH integraram um processador de dois núcleos baseado no CRISPR-Cas9 em células humanas. Este é um grande passo para a criação de biocomputadores poderosos.
Gerenciar a expressão gênica usando comutadores genéticos com base em um modelo emprestado do mundo digital tem sido um dos principais problemas da biologia sintética. O método digital utiliza elementos lógicos para processar os sinais de entrada, criando circuitos nos quais, por exemplo, o sinal de saída C é criado apenas quando os sinais de entrada A e B estão presentes simultaneamente.
Até agora, os bioengenheiros tentaram criar esses circuitos digitais usando comutadores de genes de proteínas nas células. No entanto, tinham sérias falhas: não eram flexíveis, podiam entender apenas programas simples e eram capazes de processar apenas uma entrada de cada vez, por exemplo, uma molécula específica. Assim, processos computacionais mais complexos na célula eram possíveis apenas sob condições específicas, pouco confiáveis e frequentemente com falha.
Mesmo no mundo digital, os circuitos dependem de uma única entrada na forma de elétrons. No entanto, esses esquemas compensam isso com sua velocidade, executando bilhões de comandos por segundo. As células são mais lentas em comparação com elas, mas podem processar 100.000 moléculas diferentes por segundo como entrada. E, no entanto, computadores celulares antigos nem chegaram perto de esgotar o enorme poder computacional de uma célula humana.
Processador central a partir de componentes biológicos
Uma equipe de pesquisadores liderada por Martin Fussenegger, professor de biotecnologia e bioengenharia do Departamento de Ciências Biológicas e Engenharia da
ETH Zurich em Basileia, encontrou agora uma maneira de usar componentes biológicos para criar um processador central flexível que aceita vários programas. O processador, desenvolvido por cientistas da ETH, é baseado em um sistema
CRISPR-Cas9 modificado e pode trabalhar com qualquer número de entradas na forma de moléculas de RNA.
Uma versão especial da proteína Cas9 forma o núcleo do processador. Em resposta à entrada feita pelas guias de RNA, o processador regula a expressão do gene, que por sua vez produz uma proteína específica. Graças a essa abordagem, os pesquisadores podem programar circuitos escaláveis em células humanas - por exemplo, somadores digitais, eles consistem em duas entradas e duas saídas e podem adicionar dois números binários de um dígito.
Poderoso processamento de informações multithread
Os pesquisadores deram outro passo: eles criaram um processador biológico de núcleo duplo, semelhante ao digital, integrando dois núcleos em uma célula. Para fazer isso, eles usaram componentes do CRISPR-Cas9 de duas bactérias diferentes. Fussenegger ficou encantado com o resultado, dizendo: "Criamos o primeiro computador celular com vários núcleos".
Este computador biológico não é apenas extremamente pequeno, mas teoricamente pode ser expandido para qualquer tamanho possível. “Imagine um tecido com bilhões de células, cada uma equipada com seu próprio processador de núcleo duplo. Esses "órgãos de computação" podem teoricamente alcançar um poder de processamento que excede em muito o poder de processamento de um supercomputador digital - e usa apenas uma pequena fração da energia ", diz Fussenegger.
Aplicação no diagnóstico e tratamento
Um computador celular pode ser usado para detectar sinais biológicos no corpo, como produtos metabólicos ou sinais químicos, para processá-los e responder adequadamente. Com um processador adequadamente programado, as células podem interpretar dois biomarcadores diferentes como sinais de entrada. Se apenas o biomarcador A estiver presente, o biocomputador responde formando uma molécula de diagnóstico ou substância farmacêutica. Se o biocomputador registra apenas o biomarcador B, inicia a síntese de outra substância. Se ambos os biomarcadores estão presentes, isso causa uma terceira reação. Esse sistema pode encontrar aplicação na medicina, por exemplo, no tratamento de câncer.
"Também poderíamos integrar feedback", diz Fussenegger. Por exemplo, se o biomarcador B permanecer no corpo por um longo período de tempo em uma determinada concentração, isso poderá indicar metástase do câncer. O biocomputador produzirá um produto químico destinado a matar o câncer.
Processadores multi-core possíveis
"Este computador celular pode parecer uma idéia muito revolucionária, mas não é", enfatiza Fussenegger. Ele continua: “O próprio corpo humano é um computador grande. Seu metabolismo usa o poder computacional de trilhões de células desde tempos imemoriais. ” Essas células recebem constantemente informações do mundo exterior ou de outras células, processam sinais e reagem de acordo - sejam sinais químicos ou o início de processos metabólicos. "E, diferentemente de um supercomputador eletrônico, esse grande computador precisa apenas de um pedaço de pão", observa Fussenegger.
Seu novo objetivo é integrar uma estrutura de computadores com vários núcleos em uma célula. "Ele terá mais poder computacional do que a atual estrutura dual-core".