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16.04.2019 | Noticias Por: Peter Rüegg
Los investigadores de ETH han integrado dos procesadores centrales basados en CRISPR-Cas9 en células humanas. Esto representa un gran paso hacia la creación de potentes biocomputadoras.
Cortesía de ETH: El control de la expresión de genes a través de interruptores de genes basados en un modelo tomado del mundo digital ha sido uno de los principales objetivos de la biología sintética. La técnica digital utiliza lo que se conoce como puertas lógicas para procesar señales de entrada, creando circuitos donde, por ejemplo, la señal de salida C se produce solo cuando las señales de entrada A y B están presentes simultáneamente.
Hasta la fecha, los biotecnólogos habían intentado construir dichos circuitos digitales con la ayuda de los interruptores de genes de proteínas en las células. Sin embargo, tenían algunas desventajas importantes: no eran muy flexibles, podían aceptar solo programación simple y podían procesar solo una entrada a la vez, como una molécula metabólica específica. Por lo tanto, los procesos computacionales más complejos en las células son posibles solo bajo ciertas condiciones, no son confiables y con frecuencia fallan.
Incluso en el mundo digital, los circuitos dependen de una sola entrada en forma de electrones. Sin embargo, tales circuitos compensan esto con su velocidad, ejecutando hasta mil millones de comandos por segundo. Las células son más lentas en comparación, pero pueden procesar hasta 100,000 moléculas metabólicas diferentes por segundo como entradas. Y, sin embargo, las computadoras celulares anteriores ni siquiera llegaron a agotar la enorme capacidad de cálculo metabólica de una célula humana.
Una CPU de componentes biológicos.
Un equipo de investigadores dirigido por Martin Fussenegger, profesor de Biotecnología y Bioingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas en ETH Zurich en Basilea, ha encontrado una forma de utilizar componentes biológicos para construir un procesador central flexible o una unidad central de procesamiento (CPU). ), que acepta diferentes tipos de programación. El procesador desarrollado por los científicos de ETH se basa en un sistema CRISPR-Cas9 modificado y, básicamente, puede trabajar con tantas entradas como se desee en forma de moléculas de ARN (conocidas como ARN guía).
Una variante especial de la proteína Cas9 forma el núcleo del procesador. En respuesta a la entrada suministrada por secuencias de ARN guía, la CPU regula la expresión de un gen particular, que a su vez produce una proteína particular. Con este enfoque, los investigadores pueden programar circuitos escalables en células humanas, como las medias sumas digitales, que constan de dos entradas y dos salidas y pueden agregar dos números binarios de un solo dígito.
Potente procesamiento de datos multinúcleo.
Los investigadores lo llevaron un paso más allá: crearon un procesador biológico de doble núcleo, similar a los del mundo digital, al integrar dos núcleos en una célula. Para ello, utilizaron componentes CRISPR-Cas9 de dos bacterias diferentes. Fussenegger quedó encantado con el resultado y dijo: «Hemos creado la primera computadora celular con más de un procesador central».
Esta computadora biológica no solo es extremadamente pequeña, sino que, en teoría, puede ampliarse a cualquier tamaño concebible. “Imagine un microtissue con miles de millones de células, cada una equipada con su propio procesador de doble núcleo. Tales «órganos computacionales» podrían alcanzar teóricamente una potencia de computación que supera con creces a la de una supercomputadora digital, y usar solo una fracción de la energía «, dice Fussenegger.
Aplicaciones en diagnóstico y tratamiento.
Una computadora celular podría usarse para detectar señales biológicas en el cuerpo, como ciertos productos metabólicos o mensajeros químicos, procesarlos y responder a ellos en consecuencia. Con una CPU debidamente programada, las celdas podrían interpretar dos biomarcadores diferentes como señales de entrada. Si solo está presente el biomarcador A, entonces el biocomputador responde formando una molécula diagnóstica o una sustancia farmacéutica. Si el biocomputador registra solo el biomarcador B, entonces activa la producción de una sustancia diferente. Si ambos biomarcadores están presentes, eso induce una tercera reacción. Tal sistema podría encontrar aplicación en la medicina, por ejemplo, en el tratamiento del cáncer.
«También podríamos integrar la retroalimentación», dice Fussenegger. Por ejemplo, si el biomarcador B permanece en el cuerpo durante un período de tiempo más prolongado a una cierta concentración, esto podría indicar que el cáncer está en metástasis. El biocomputador luego produciría una sustancia química que se dirige a esos crecimientos para el tratamiento.
Procesadores multinúcleo posibles
«Esta computadora celular puede sonar como una idea muy revolucionaria, pero ese no es el caso», enfatiza Fussenegger. Él continúa: “El cuerpo humano en sí es una gran computadora. Su metabolismo se ha basado en el poder de cómputo de billones de células desde tiempos inmemoriales ”. Estas células reciben continuamente información del mundo exterior o de otras células, procesan las señales y responden en consecuencia, ya sea mediante la emisión de mensajeros químicos o la activación de procesos metabólicos. “
«Y a diferencia de una supercomputadora técnica, esta gran computadora necesita solo una rebanada de pan para obtener energía», señala Fussenegger.
Su próximo objetivo es integrar una estructura de computadora multinúcleo en una célula. «Esto tendría incluso más poder de cómputo que la estructura de doble núcleo actual», dice.
Referencia
Kim H, Bojar D, Fussenegger M. CRISPR-CPU: Una unidad de procesamiento central basada en CRISPR / Cas9 para programar cálculos lógicos complejos en células humanas. PNAS, 9 de abril de 2019, 116 (15) 7214-7219; doi: 10.1073 / pnas.1821740116
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