ETH科学家已经在人类细胞中集成了两个基于CRISPR-Cas9的核心处理器。 这是迈向创建强大的生物计算机的巨大一步。
长期以来，使用基于基于数字世界的模型的基因开关来管理基因表达一直是合成生物学的主要问题之一。 该数字方法使用逻辑元件来处理输入信号，从而创建电路，其中，仅当同时存在输入信号A和B时才创建输出信号C。
到目前为止，生物工程师已经尝试使用细胞中的蛋白质基因开关来创建这样的数字电路。 但是，它们有严重的缺陷：它们不灵活，只能理解简单的程序，并且一次只能处理一个输入，例如一个特定的分子。 因此，只有在特定条件下，单元中更复杂的计算过程才可能实现，而且不可靠且经常失败。
即使在数字世界中，电路也依赖于电子形式的单个输入。 但是，此类方案以其速度来弥补这一点，每秒执行数十亿条命令。 与之相比，细胞速度较慢，但每秒可处理100,000个不同的分子作为输入。 然而，过去的蜂窝计算机甚至还没有接近耗尽人类细胞的巨大计算能力。
生物成分的中央处理器
由位于巴塞尔的
ETH Zurich生物科学与工程系的生物技术与生物工程学教授Martin Fussenegger领导的一组研究人员现在已经找到了一种利用生物成分来创建可以接受各种程序的灵活中央处理器的方法。 该处理器由ETH科学家开发，基于改进的
CRISPR-Cas9系统 ，可以处理RNA分子形式的任意数量的输入。
Cas9蛋白的特殊版本构成了处理器的核心。 响应RNA向导的输入，处理器调节基因的表达，从而产生特定的蛋白质。 借助这种方法，研究人员可以在人体细胞中对可扩展电路进行编程-例如，数字加法器，它们由两个输入和两个输出组成，并且可以将两个个位数的二进制数字相加。
强大的多线程信息处理
研究人员又迈出了一步：他们创造了一种生物双核处理器，类似于数字处理器，将两个核集成到一个单元中。 为此，他们使用了来自两种不同细菌的CRISPR-Cas9成分。 Fussenegger对结果感到满意，他说：“我们创造了第一台具有多个内核的便携式计算机。”
这种生物计算机不仅非常小，而且理论上可以扩展到任何可能的大小。 想象一下一个拥有数十亿个细胞的组织，每个细胞都配备有自己的双核处理器。 从理论上讲，这样的“计算机构”可以实现远远超过数字超级计算机的处理能力-并且仅使用一小部分能量。
在诊断和治疗中的应用
蜂窝计算机可用于检测体内的生物信号，例如代谢产物或化学信号，以对其进行处理并作出相应的响应。 使用正确编程的处理器，细胞可以将两种不同的生物标记物解释为输入信号。 如果仅存在生物标志物A，则生物计算机通过形成诊断分子或药物来响应。 如果生物计算机仅注册生物标记B，它将开始另一种物质的合成。 如果两种生物标志物都存在，则引起第三反应。 这样的系统可以发现在医学中的应用，例如在癌症的治疗中。
“我们还可以整合反馈，” Fussenegger说。 例如，如果生物标记物B以一定浓度在人体中保留较长时间，则可能表明癌症转移。 该生物计算机将产生一种旨在杀死癌症的化学物质。
可能有多核处理器
Fussenegger强调说：“这种便携式计算机似乎是一个非常具有革命性的想法，但事实并非如此。” 他继续说：“人体本身就是一台大型计算机。 自远古以来，他的新陈代谢就一直在利用数万亿个细胞的计算能力。” 这些细胞不断从外界或其他细胞接收信息，处理信号并做出相应的反应-无论是化学信号还是代谢过程的开始。 “而且与电子超级计算机不同，这台大型计算机只需要一块面包，” Fussenegger指出。
他的新目标是将多核计算机结构集成到单元中。 “它将比当前的双核结构具有更大的计算能力。”