El control de la expresión génica a través de conmutadores génicos basados en un modelo prestado del mundo digital ha sido uno de los objetivos principales 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 tales circuitos digitales con la ayuda de interruptores de genes de proteínas en las células. Sin embargo, estos tenían algunas desventajas serias: no eran muy flexibles, solo podían aceptar programación simple y eran capaces de procesar solo unoentrada a la vez, como una molécula metabólica específica. Por lo tanto, los procesos computacionales más complejos en las células solo son posibles 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, dichos circuitos compensan esto con su velocidad, ejecutando hasta mil millones de comandos por segundo. Las células son más lentas en comparación, pero pueden procesarsea 100,000 moléculas metabólicas diferentes por segundo como entradas. Y sin embargo, las computadoras celulares anteriores ni siquiera se acercaban a agotar la enorme capacidad computacional 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, ahora ha encontrado una manera de usar componentes biológicos para construir un procesador central flexible o una unidad central de procesamientoCPU, 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 conocido como ARN guía.
Una variante especial de la proteína Cas9 forma el núcleo del procesador. En respuesta a la entrada suministrada por las 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 puedenprograme circuitos escalables en células humanas, como los sumadores digitales, que consisten en dos entradas y dos salidas y pueden agregar dos números binarios de un solo dígito.
Potente procesamiento de datos multinúcleo
Los investigadores dieron 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 estaba encantado con el resultado, diciendo: "Hemos creado la primera computadora celular con más de un procesador central".
Esta computadora biológica no solo es extremadamente pequeña, sino que en teoría se puede ampliar 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 teóricamentepotencia informática que supera con creces la de una supercomputadora digital, y utiliza solo una fracción de la energía ", dice Fussenegger.
Aplicaciones en diagnóstico y tratamiento
Se podría usar una computadora celular para detectar señales biológicas en el cuerpo, como ciertos productos metabólicos o mensajeros químicos, procesarlas y responderlas en consecuencia. Con una CPU programada adecuadamente, las células podrían interpretar dos biomarcadores diferentes como señales de entrada.Si solo está presente el biomarcador A, el biocomputador responde formando una molécula de diagnóstico o una sustancia farmacéutica. Si el biocomputador registra solo el biomarcador B, entonces desencadena la producción de una sustancia diferente. Si ambos biomarcadores están presentes, eso induce una tercera reacción.Tal sistema podría encontrar aplicación en 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 largo a una cierta concentración, esto podría indicar que el cáncer está haciendo metástasis. El biocomputador produciría un químicosustancia 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. Continúa: "El cuerpo humano en sí es una computadora grande. Su metabolismo se ha basado en el poder informático de billones de células desdetiempo inmemorial ". Estas células reciben continuamente información del mundo exterior o de otras células, procesan las señales y responden en consecuencia, ya sea emitiendo mensajeros químicos o desencadenando procesos metabólicos". Y a diferencia de una supercomputadora técnica, esta gran computadorasolo necesita una rebanada de pan para obtener energía ", señala Fussenegger.
Su próximo objetivo es integrar una estructura de computadora multinúcleo en una celda. "Esto tendría aún más poder de cómputo que la estructura actual de doble núcleo", dice.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Peter Rüegg. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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