یک رایانه‌ی سلولی دو هسته‌ای بیوسنتزی

توضیح تصویر: CRISPR / مفهوم تصویری کامپیوتر (تصویر آرشیوی).
اعتبار: © momius / Fotolia
 

کنترل تجلی ژن از طریق ژن های سوئیچ بر اساس یک مدل که از دنیای دیجیتال وام گرفته شده است، یکی از اهداف اصلی زیست شناسی مصنوعی است. تکنیک دیجیتال از آنچه دروازه های منطقی نامیده می شود برای پردازش سیگنال های ورودی استفاده می کند، و مدارهایی ایجاد می کند که برای مثال، سیگنال خروجی C تنها زمانی تولید می شود که سیگنال های ورودی A و B به طور همزمان حاضر باشند.
 
تا به امروز، بیوتکنولوژیست ها با استفاده از پروتئین های ژن در سلول ها، تلاش کرده بودند چنین مدارهای دیجیتالی را بسازند. با این حال، این مدارها دارای معایبی جدی بودند: آنها چندان انعطاف پذیر نیستند، می توانند تنها برنامه نویسی ساده را بپذیرند و می توانند در یک زمان تنها یک ورودی را پردازش کنند، مانند یک مولکول متابولیک خاص. بنابراین پردازش های پیچیده محاسباتی در سلول ها تنها در شرایط خاص امکان پذیر هستند، غیر قابل اطمینان هستند و اغلب شکست می خورند.
 
حتی در دنیای دیجیتال، مدار به یک ورودی تک به شکل الکترون ها متکی است. با این حال، چنین مدارهایی این را با سرعت خود جبران می کنند، و تا یک میلیارد دستور را در ثانیه اجرا می کنند. سلول ها در مقایسه با آنها کند تر هستند، اما می توانند تا 100000 مولکول متابولیک مختلف را در هر ثانیه به عنوان ورودی پردازش کنند. و در عین حال هنوز کامپیوترهای سلولی قبلی حتی به اتمام ظرفیت محاسباتی متابولیک عظیم یک سلول انسانی نزدیک هم نشدند.
 

گروهی از محققان به رهبری مارتین فوسِنِگر، استاد بیوتکنولوژی و مهندسی زیست فناوری در بخش علوم و مهندسی بیوشیمی در ETH Zurich در بازل، اکنون راهی پیدا کرده اند برای استفاده از اجزای بیولوژیکی برای ساخت یک پردازنده هسته‌ای انعطاف پذیر، یا واحد پردازش مرکزی (CPU )، که انواع مختلف برنامه نویسی را می پذیرد. پردازنده‌ی توسعه یافته توسط دانشمندان ETH مبتنی بر یک سیستم CRISPR-Cas9 اصلاح شده است و اساساً می‌تواند با تعداد زیادی ورودی به صورت مطلوب در قالب مولکولهای RNA (شناخته شده به عنوان RNA راهنما) کار کند.
 
یک نوع خاص از پروتئین Cas9 هسته پردازنده را تشکیل می دهد. در پاسخ به ورودی تحویل شده توسط توالی‌های RNA راهنما، CPU تجلی یک ژن خاص را تنظیم می کند که به نوبه خود پروتئین خاصی را ایجاد می کند. با استفاده از این روش، محققان می توانند مدارهای مقیاس پذیر را در سلول های انسانی برنامه ریزی کنند - همچون نیمه افزودنی های دیجیتال، این‌ها شامل دو ورودی و دو خروجی می شود و می تواند دو عدد دودویی تک رقمی را جمع کند.
 

محققان آن را یک گام به جلو بردند: آنها یک پردازنده دو هسته ای بیولوژیکی، شبیه به آنهایی که در جهان دیجیتالی وجود دارد، با ادغام دو هسته در یک سلول، به وجود آوردند. برای انجام این کار، آنها از اجزای CRISPR-Cas9 از دو باکتری متفاوت استفاده می کردند. فوسنگر از نتیجه خوشحال شد و گفت: "ما اولین کامپیوتر سلولی با بیش از یک پردازنده هسته ای را ایجاد کرده ایم."
 
این کامپیوتر بیولوژیکی نه تنها بسیار کوچک است، بلکه از لحاظ نظری نیز می تواند به هر اندازه قابل قبولی برسد. فوسنگر می گوید: "یک میکرو بافت با میلیاردها سلول را تصور کنید، که هر کدام مجهز به پردازنده دو هسته ای خود است. چنین "ارگان های محاسباتی" می تواند به لحاظ نظری توانایی محاسباتی را که از سوپر کامپیوترهای دیجیتالی فراتر است - و فقط از کسری از انرژی استفاده می کند، به دست آورد."
 

یک کامپیوتر سلولی می تواند برای تشخیص سیگنال های بیولوژیکی در بدن مانند محصولات متابولیک خاص یا فرستنده های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد، آنها را پردازش کند و به آنها پاسخ دهد. با یک پردازنده به درستی برنامه ریزی شده، سلول ها می توانند دو نشانگر زیستی مختلف را به عنوان سیگنال ورودی تفسیر کنند. اگر فقط بیو نشانگرA  حاضر باشد، آنگاه یک بیو رایانه با تشکیل یک مولکول تشخیصی یا یک ماده دارویی پاسخ می دهد. اگر بیو رایانه فقط بیو نشانگر B را ثبت کند، تولید ماده ای متفاوت را آغاز می کند. اگر هر دوی بیو نشانگرها حاضر باشند، با آن هنوز یک واکنش سوم استنتاج می شود. چنین سیستمی می تواند کاربردی در پزشکی، به عنوان مثال در درمان سرطان، پیدا کند.
 
فوسنگر می گوید: "ما همچنین می توانیم بازخوردها را ادغام کنیم." به عنوان مثال، اگر بیو نشانگر B در یک دوره طولانی مدت در غلظت خاصی در بدن باقی بماند، این نشان می دهد که سرطان متاستاز است. سپس یک کامپیوتر بیولوژیکی یک ماده شیمیایی تولید می کند که این رشد را برای درمان هدف قرار می دهد.
محققان می توانند مدارهای مقیاس پذیر را در سلول های انسانی برنامه ریزی کنند - همچون نیمه افزودنی های دیجیتال، این‌ها شامل دو ورودی و دو خروجی می شود و می تواند دو عدد دودویی تک رقمی را جمع کند. 

فوسنگر تأکید می کند: "این کامپیوتر سلولی ممکن است ایده‌ای بسیار انقلابی به نظر برسد، اما اینگونه نیست". او ادامه می دهد: "بدن انسان خود یک کامپیوتر بزرگ است . متابولیسم آن از زمانی بسیار قدیم توان محاسبه تریلیون‌ها سلول را به دست آورده است." این سلول ها به طور مداوم اطلاعاتی از دنیای خارج یا از سلول های دیگر دریافت می کنند، سیگنال ها را پردازش می کنند و مطابق با آن پاسخ می دهند - چه از طریق فرستادن پیام رسان های شیمیایی و یا شروع فرایندهای متابولیک. فوسنگر می‌گوید: "در مقایسه با یک ابررایانه فنی، این کامپیوتر بزرگ تنها نیاز به یک تکه نان برای گرفتن انرژی دارد."
 
هدف بعدی وی این است که یک ساختار کامپیوتری چند هسته ای را در یک سلول ادغام کند. او می گوید: "این می تواند قدرت محاسباتی حتی بیشتری در مقایسه با ساختار دو هسته ای فعلی داشته باشد."
 
منبع: مطالب ارائه شده توسط ETH Zurich. در اصل، نوشته شده توسط پیتر Rüegg.