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16.04.2019 | Notícia Por: Peter Rüegg
Os pesquisadores da ETH integraram dois processadores core baseados em CRISPR-Cas9 em células humanas. Isso representa um grande passo para a criação de biocomputadores poderosos.
Cortesia ETH: O controle da expressão gênica através de interruptores genéticos baseados em um modelo emprestado do mundo digital tem sido um dos principais objetivos da biologia sintética. A técnica digital usa o que é conhecido como portas lógicas para processar sinais de entrada, criando circuitos onde, por exemplo, o sinal de saída C é produzido apenas quando os sinais de entrada A e B estão presentes simultaneamente.
Até o momento, os biotecnólogos tentaram construir esses circuitos digitais com a ajuda de comutadores de genes de proteínas nas células. No entanto, elas tinham algumas desvantagens sérias: não eram muito flexíveis, podiam aceitar apenas programação simples e eram capazes de processar apenas uma entrada por vez, como uma molécula metabólica específica. Processos computacionais mais complexos em células são, portanto, possíveis somente sob certas condições, não são confiáveis e freqüentemente falham.
Mesmo no mundo digital, os circuitos dependem de uma única entrada na forma de elétrons. No entanto, esses circuitos compensam isso com sua velocidade, executando até um bilhão de comandos por segundo. As células são mais lentas em comparação, mas podem processar até 100.000 diferentes moléculas metabólicas por segundo como entradas. E, no entanto, os computadores celulares anteriores nem chegavam perto de exaurir a enorme capacidade computacional metabólica de uma célula humana.
Uma CPU de componentes biológicos
Uma equipe de pesquisadores liderada por Martin Fussenegger, Professor de Biotecnologia e Bioengenharia do Departamento de Biociências e Engenharia de Biossistemas da ETH Zurich, em Basileia, encontrou uma maneira de usar componentes biológicos para construir um processador central flexível ), que aceita diferentes tipos de programação. O processador desenvolvido pelos cientistas da ETH é baseado em um sistema CRISPR-Cas9 modificado e basicamente pode trabalhar com o máximo de insumos que desejar, na forma de moléculas de RNA (conhecidas como RNA guia).
Uma variante especial da proteína Cas9 forma o núcleo do processador. Em resposta à entrada fornecida pelas sequências de RNA guia, a CPU regula a expressão de um gene particular, que por sua vez produz uma proteína particular. Com essa abordagem, os pesquisadores podem programar circuitos escalonáveis em células humanas – como meio agregadores digitais, que consistem em duas entradas e duas saídas e podem adicionar dois números binários de dígito único.
Processamento poderoso de dados multicore
Os pesquisadores deram um passo além: criaram um processador biológico dual-core, semelhante aos do mundo digital, integrando dois núcleos em uma célula. Para isso, eles usaram componentes CRISPR-Cas9 de duas bactérias diferentes. Fussenegger ficou satisfeito com o resultado, dizendo: “Criamos o primeiro computador com mais de um processador de núcleo”.
Este computador biológico não é apenas extremamente pequeno, mas em teoria pode ser ampliado para qualquer tamanho concebível. “Imagine uma microtissue com bilhões de células, cada uma equipada com seu próprio processador dual-core. Esses “órgãos computacionais” poderiam, teoricamente, alcançar o poder de computação que ultrapassa em muito o de um supercomputador digital – e usando apenas uma fração da energia “, diz Fussenegger.
Aplicações em diagnósticos e tratamento
Um computador celular pode ser usado para detectar sinais biológicos no corpo, como certos produtos metabólicos ou mensageiros químicos, processá-los e respondê-los de acordo. Com uma CPU adequadamente programada, as células poderiam interpretar dois biomarcadores diferentes como sinais de entrada. Se apenas o biomarcador A estiver presente, então o biocomputador responde formando uma molécula de diagnóstico ou uma substância farmacêutica. Se o biocomputador registra apenas o biomarcador B, ele aciona a produção de uma substância diferente. Se ambos os biomarcadores estão presentes, isso induz uma terceira reação. Tal sistema pode encontrar aplicação na medicina, por exemplo, no tratamento do câncer.
“Também poderíamos integrar o feedback”, diz Fussenegger. Por exemplo, se o biomarcador B permanecer no corpo por um longo período de tempo em uma certa concentração, isso pode indicar que o câncer está metastizando. O biocomputador produziria então uma substância química que visa esses crescimentos para tratamento.
Processadores multicore possíveis
“Esse computador celular pode soar como uma ideia muito revolucionária, mas esse não é o caso”, enfatiza Fussenegger. Ele continua: “O corpo humano em si é um grande computador. Seu metabolismo baseia-se no poder computacional de trilhões de células desde tempos imemoriais ”. Essas células recebem continuamente informações do mundo externo ou de outras células, processam os sinais e respondem de acordo – seja emitindo mensageiros químicos ou desencadeando processos metabólicos.
“E em contraste com um supercomputador técnico, esse grande computador precisa de apenas uma fatia de pão para energia”, observa Fussenegger.
Seu próximo objetivo é integrar uma estrutura de computador multicore em uma célula. “Isso teria ainda mais poder de computação do que a estrutura dual core atual”, diz ele.
Referência
Kim H, Bojar D e Fussenegger M. CRISPR-CPU: Unidade de processamento central baseada em CRISPR / Cas9 para programar cálculos lógicos complexos em células humanas. PNAS, 9 de abril de 2019, 116 (15) 7214-7219; doi: 10.1073 / pnas.1821740116
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