Биокомпьютер внутри тела: Ученые с помощью CRISPR превратили клетки в процессор

Технология редактирования генома CRISPR разрабатывалась изначально с целью обеспечения лечения и профилактики генетических заболеваний, но позже эта технология, превратившаяся в мощный инструмент, нашла применение и в некоторых других областях, включая синтетическую биологию. А недавно исследователи из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich) использовали CRISPR-технологию для создания функциональных биокомпьютеров, встраиваемых прямо в клетки человеческих тканей.

Отметим, что живые организмы и так уже можно считать своего рода биокомпьютерами, клетки которых выполняют роль логических элементов, черпающих входные данные извне, обрабатывающих эти данные и реагирующих на них определенными метаболическими процессами. "Само человеческое тело - это большой биокомпьютер" - рассказывает Мартин Фассенеггер (Martin Fussenegger), ведущий исследователь, - "Огромная вычислительная мощность этого биокомпьютера обеспечивается триллионами клеток, но в отличие от традиционных суперкомпьютеров, для работы "человеческого биокомпьютера" потребуется кусок хлеба или другая пища".

Использование естественных процессов, происходящих внутри живых клеток, для построения логических схем, является одной из главных целей синтетической биологии. В данном случае, исследователи из ETH Zurich нашли способ внедрения в клетки человека двуядерных биопроцессоров, а в качестве такого биопроцессора выступал специально разработанный для этого вариант фермента Cas9, который используется в технологии CRISPR.

Фермент Cas9 осуществляет чтение исходных данных из молекулы РНК и на основе этих данных активирует или деактивирует определенные гены, что, в свою очередь, приводит к производству клеткой особых белков. Особенностью фермента Cas9 является то, что у него имеется два "цифровых входа" он может параллельно считывать два числа, обработать их и выдать два независимых результата. Другими словами, это фермент, внедренный в ядро клетки, представляет собой простейший двуядерный биопроцессор, способный выполнять две независимых задачи.

Миллиарды таких клеток, оснащенных биопроцессорами, могут быть объединены в будущем в мощные биокомпьютеры, способные диагностировать и самостоятельно излечивать различные заболевания. Эти компьютеры будут искать определенные биомаркеры, соответствующие различным заболеваниям, и вырабатывать молекулы лекарственных препаратов. В зависимости от количества обнаруживаемых биомаркеров, биокомпьютер будет вырабатывать лекарственные молекулы разных видов, которые будут действовать максимально эффективно в каждом конкретном случае.

"Представьте себе имплантат, состоящий из тканей человека-пациента, миллионы или миллиарды клеток которого содержат двуядерные биопроцессоры" - рассказывает Мартин Фассенеггер, - "Такие "вычислительные" органы теоретически могут иметь вычислительную мощность, намного превосходящую вычислительную мощность цифровых суперкомпьютеров. И для работы такого биологического суперкомпьютера потребуется совсем незначительное количество энергии, которое не идет в сравнение даже с количеством энергии, потребляемой обычным настольным компьютером".