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生物合成双核细胞计算机韩信

时间：2022年08月04日

生物合成双核细胞计算机

通过主要基于从数字世界借来的人体模型的基因开关来控制基因表达长期以来一直是人工生物学的许多主要目标之一。数字方法利用通常称为逻辑门的进入警报的过程，在该位置创建电路，例如，输入标志C仅在输入警报A和B同时是当前时产生。

迄今为止，生物技术专家曾试图在细胞中的蛋白质基因开关的帮助下构建这种数字电路然而，这些都有一些严重的缺点：它们不是非常通用，可能只能容易编程，并且一次只能处理一个输入，类似于特定的代谢分子。因此，单元中更复杂的计算过程仅在确定的情况下可行，不可靠且不断失败。

即使在数字世界中，电路依赖于电子类型内的单个输入。然而，这样的电路用它们的速度来补偿这一点，每秒执行多达十亿个指令。相比之下，细胞较慢，但每秒可以有多达100,000个完全不同的代谢分子作为输入。而早期的细胞计算机系统甚至没有耗尽人体细胞的大代谢计算能力。

有机部件的CPU

由巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系生物技术与生物工程教授Martin Fussenegger 领导的一组研究人员现在发现了一种利用有机部件组装通用核心处理器或中央处理单元的方法。，接受完全不同的编程。由ETH科学家开发的处理器依赖于修饰的CRISPR-Cas9系统，并且主要可以在RNA分子类型内根据需要使用尽可能多的输入。

Cas9蛋白的特定变体种类是处理器的核心。响应于由信息RNA序列递送的输入，CPU调节特定基因的表达，其反过来产生特定蛋白质。通过这种策略，研究人员可以对人体细胞中的可扩展电路进行编程 - 如数字半加器，这些电路包含两个输入和两个输出，并且可以添加两个单位二进制数。

强大的多核信息处理功能

该研究人员把它附加了一步：他们创造了一个有机的双核处理器，就像这些数字世界中，由两个核心整合顺利进入细胞。为了实现这一目标，他们使用了两种完全不同的微生物的CRISPR-Cas9部分。Fussenegger对结果感到高兴，他说：“我们创建了第一台带有多个核心处理器的计算机。”

这种有机计算机并不仅仅是非常小，但在想法中可能会扩展到任何可想象的维度。“想象一下，微组织有几十亿个细胞，每个都配有自己的双核处理器这样的‘计算器官’理论上可以实现计算远远超过了该数字的超级计算机的力量 - 而仅使用能量的一小部分，” Fussenegger说。

在诊断和补救方面的应用

细胞计算机可以很好地用于检测体格内的有机警报，类似于确定的代谢商品或化学信使，它们的过程并相应地回复它们。使用正确编程的CPU，细胞可以将两种完全不同的生物标记解释为输入警报。如果仅生物标记物A是当前的，则生物计算机通过形成诊断分子或药物物质来响应。如果生物计算机仅注册生物标记物B，那么它会触发特殊物质的制造。如果每种生物标志物都是最新的，则会引起第三种反应。这样的系统可以发现药物中的软件，例如在大多数癌症治疗中。

“我们还可以整合反馈，”Fussenegger说。例如，如果生物标记物B在确定的焦点处长时间保持在体质内，则可能指出大多数癌症是转移的。然后，生物计算机将生成针对这些生长物的化学物质以进行补救。

多核处理器可行

“这台计算机可能听起来像是一个非常革命性的想法，但事实并非如此，”Fussenegger强调说。他继续说道：“人体本身就是一台大型计算机。自古以来，它的新陈代谢已经吸收了数万亿细胞的计算能力。” 这些细胞定期从皮肤世界或不同细胞获取信息，警报过程并相应地回复 - 无论是否通过发射化学信使或触发代谢过程。“与技术超级计算机相比，这台大型计算机只需要一片面包来获取能量，”Fussenegger说道。

他随后的目标是将多核计算机结构组合成一个单元。“这将比现有的双核心结构拥有更多的计算能力，”他说。