基于從數(shù)字世界借來(lái)的模型通過基因開關(guān)控制基因表達(dá)長(zhǎng)期以來(lái)一直是合成生物學(xué)的主要目標(biāo)之一。數(shù)字技術(shù)使用所謂的邏輯門來(lái)處理輸入信號(hào)，產(chǎn)生電路，例如，僅當(dāng)輸入信號(hào)A和B同時(shí)存在時(shí)才產(chǎn)生輸出信號(hào)C.

 迄今為止，生物技術(shù)學(xué)家已經(jīng)嘗試在細(xì)胞中的蛋白質(zhì)基因開關(guān)的幫助下構(gòu)建這樣的數(shù)字電路。然而，這些有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)：它們不是非常靈活，只能接受簡(jiǎn)單的編程，并且能夠一次只處理一個(gè)輸入，例如特定的代謝分子。因此，單元中更復(fù)雜的計(jì)算過程僅在某些條件下是可能的，不可靠且經(jīng)常失敗。

 即使在數(shù)字世界中，電路依賴于電子形式的單個(gè)輸入。然而，這樣的電路以其速度對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，每秒執(zhí)行高達(dá)十億個(gè)命令。相比之下，細(xì)胞較慢，但每秒可處理多達(dá)100,000種不同的代謝分子作為輸入。然而，以前的細(xì)胞計(jì)算機(jī)甚至沒有接近耗盡人體細(xì)胞的巨大代謝計(jì)算能力。

 生物成分的CPU

 差壓變送器領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種利用生物組件構(gòu)建靈活核心處理器或中央處理單元（CPU）的方法。 ），接受不同類型的編程。由ETH科學(xué)家開發(fā)的處理器基于經(jīng)修飾的CRISPR-Cas9系統(tǒng)，并且基本上可以以RNA分子（稱為指導(dǎo)RNA）的形式使用所需數(shù)量的輸入。

 差壓變送器的特殊變體構(gòu)成了處理器的核心。響應(yīng)由指導(dǎo)RNA序列遞送的輸入，CPU調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)，該基因又產(chǎn)生特定蛋白質(zhì)。通過這種方法，研究人員可以對(duì)人體細(xì)胞中的可擴(kuò)展電路進(jìn)行編程 - 如數(shù)字半加器，它們由兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出組成，并且可以添加兩個(gè)單位二進(jìn)制數(shù)。

 強(qiáng)大的多核數(shù)據(jù)處理功能

 研究人員更進(jìn)了一步：他們通過將兩個(gè)核心集成到一個(gè)小區(qū)中，創(chuàng)建了一個(gè)類似于數(shù)字世界的生物差壓變送器。為此，他們使用來(lái)自兩種不同細(xì)菌的CRISPR-Cas9成分。 對(duì)結(jié)果感到高興，他說：“我們創(chuàng)建了第一臺(tái)帶有多個(gè)核心處理器的計(jì)算機(jī)。”

 這種生物計(jì)算機(jī)不僅非常小，而且理論上可以擴(kuò)展到任何可想到的大小。“想象一下?lián)碛袛?shù)十億個(gè)細(xì)胞的微組織，每個(gè)細(xì)胞都配備了自己的雙核心處理器。這種“計(jì)算機(jī)構(gòu)”在理論上可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)字超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力 - 并且僅使用一小部分能量，“ 。  在診斷和治療中的應(yīng)用

 細(xì)胞計(jì)算機(jī)可用于檢測(cè)體內(nèi)的生物信號(hào)，例如某些代謝產(chǎn)物或化學(xué)信使，處理它們并相應(yīng)地響應(yīng)它們。通過適當(dāng)編程的CPU，細(xì)胞可以將兩種不同的生物標(biāo)記物解釋為輸入信號(hào)。如果僅存在生物標(biāo)志物A，則生物計(jì)算機(jī)通過形成診斷分子或藥物物質(zhì)來(lái)響應(yīng)。如果生物計(jì)算機(jī)僅注冊(cè)生物標(biāo)記B，則它觸發(fā)生成不同的物質(zhì)。如果兩種生物標(biāo)志物都存在，則會(huì)引發(fā)第三種反應(yīng)。這種系統(tǒng)可以在醫(yī)學(xué)中找到應(yīng)用，例如在癌癥治療中。

 “我們還可以整合反饋，” 例如，如果生物標(biāo)志物B在一定濃度下在體內(nèi)保留較長(zhǎng)時(shí)間，則這可能表明癌癥正在轉(zhuǎn)移。然后，生物計(jì)算機(jī)將產(chǎn)生針對(duì)這些生長(zhǎng)用于治療的化學(xué)物質(zhì)。

 多核處理器可能

 “這臺(tái)計(jì)算機(jī)可能聽起來(lái)像是一個(gè)非常革命性的想法，但事實(shí)并非如此，” 強(qiáng)調(diào)說。他繼續(xù)說道：“人體本身就是一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)。自遠(yuǎn)古以來(lái)，它的新陳代謝已經(jīng)吸收了數(shù)萬(wàn)億細(xì)胞的計(jì)算能力。“這些細(xì)胞不斷從外界或其他細(xì)胞接收信息，處理信號(hào)并作出相應(yīng)的反應(yīng) - 無(wú)論是通過發(fā)射化學(xué)信使還是觸發(fā)代謝過程。“與技術(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，這臺(tái)差壓變送器只需要一片面包就可以獲得能量，”。

 他的下一個(gè)目標(biāo)是將多核計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)集成到一個(gè)單元中。“這將比現(xiàn)有的雙核心結(jié)構(gòu)擁有更多的計(jì)算能力，”他說。