Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã tích hợp hai bộ xử lý lõi dựa trên CRISPR-Cas9 vào tế bào người. Điều này thể hiện một bước tiến lớn hướng tới việc tạo ra các máy tính sinh học mạnh mẽ.
Kiểm soát biểu hiện gen thông qua các chuyển đổi gen dựa trên một mô hình mượn từ thế giới kỹ thuật số từ lâu đã là một trong những mục tiêu chính của sinh học tổng hợp. Kỹ thuật số sử dụng cái được gọi là cổng logic để xử lý tín hiệu đầu vào, tạo ra các mạch trong đó, ví dụ, tín hiệu đầu ra C chỉ được tạo ra khi tín hiệu đầu vào A và B xuất hiện đồng thời.
Đến nay, các nhà công nghệ sinh học đã cố gắng xây dựng các mạch kỹ thuật số như vậy với sự trợ giúp của các công tắc gen protein trong các tế bào. Tuy nhiên, những điều này có một số nhược điểm nghiêm trọng: chúng không linh hoạt, chỉ có thể chấp nhận lập trình đơn giản và có khả năng xử lý chỉ một đầu vào tại một thời điểm, chẳng hạn như một phân tử trao đổi chất cụ thể. Do đó, các quy trình tính toán phức tạp hơn trong các tế bào chỉ có thể xảy ra trong một số điều kiện nhất định, không đáng tin cậy và thường xuyên thất bại.
Ngay cả trong thế giới kỹ thuật số, các mạch phụ thuộc vào một đầu vào dưới dạng điện tử. Tuy nhiên, các mạch như vậy bù đắp cho điều này bằng tốc độ của chúng, thực hiện tới một tỷ lệnh mỗi giây. Các tế bào so sánh chậm hơn, nhưng có thể xử lý tới 100.000 phân tử trao đổi chất khác nhau mỗi giây làm đầu vào. Tuy nhiên, các máy tính di động trước đây thậm chí còn không thể làm cạn kiệt khả năng tính toán trao đổi chất khổng lồ của một tế bào người.
Một CPU của các thành phần sinh học
Một nhóm các nhà nghiên cứu do Martin Fussalanger, Giáo sư Công nghệ sinh học và Kỹ thuật sinh học tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Sinh học tại ETH Zurich ở Basel, hiện đã tìm ra cách sử dụng các thành phần sinh học để xây dựng bộ xử lý lõi linh hoạt hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU ), chấp nhận các loại lập trình khác nhau. Bộ xử lý được phát triển bởi các nhà khoa học ETH dựa trên hệ thống CRISPR-Cas9 đã được sửa đổi và về cơ bản có thể hoạt động với nhiều đầu vào như mong muốn dưới dạng phân tử RNA (được gọi là RNA dẫn hướng).
Một biến thể đặc biệt của protein Cas9 tạo thành lõi của bộ xử lý. Để đáp ứng với đầu vào được phân phối bởi các chuỗi RNA hướng dẫn, CPU điều chỉnh biểu hiện của một gen cụ thể, từ đó tạo ra một loại protein cụ thể. Với phương pháp này, các nhà nghiên cứu có thể lập trình các mạch có thể mở rộng trong các tế bào của con người – như các bộ cộng nửa kỹ thuật số, chúng bao gồm hai đầu vào và hai đầu ra và có thể thêm hai số nhị phân một chữ số.
Xử lý dữ liệu đa lõi mạnh mẽ
Các nhà nghiên cứu đã tiến thêm một bước: họ đã tạo ra bộ xử lý lõi kép sinh học, tương tự như trong thế giới kỹ thuật số, bằng cách tích hợp hai lõi vào một tế bào. Để làm như vậy, họ đã sử dụng các thành phần CRISPR-Cas9 từ hai loại vi khuẩn khác nhau. Fussalanger rất vui mừng với kết quả này, nói rằng: “Chúng tôi đã tạo ra máy tính di động đầu tiên có nhiều bộ xử lý lõi”.
Máy tính sinh học này không chỉ cực kỳ nhỏ, mà trên lý thuyết có thể được thu nhỏ tới bất kỳ kích thước nào có thể tưởng tượng được. “Hãy tưởng tượng một microt phát hành với hàng tỷ tế bào, mỗi tế bào được trang bị bộ xử lý lõi kép của riêng nó.” Các cơ quan tính toán “như vậy về mặt lý thuyết có thể đạt được sức mạnh vượt xa so với siêu máy tính kỹ thuật số – và chỉ sử dụng một phần năng lượng”.
Ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị
Một máy tính di động có thể được sử dụng để phát hiện các tín hiệu sinh học trong cơ thể, chẳng hạn như một số sản phẩm trao đổi chất hoặc sứ giả hóa học, xử lý chúng và phản ứng với chúng. Với CPU được lập trình đúng, các tế bào có thể hiểu hai dấu ấn sinh học khác nhau là tín hiệu đầu vào. Nếu chỉ có dấu ấn sinh học A, thì máy tính sinh học đáp ứng bằng cách hình thành một phân tử chẩn đoán hoặc dược chất. Nếu máy tính sinh học chỉ đăng ký dấu ấn sinh học B, thì nó kích hoạt sản xuất một chất khác. Nếu cả hai dấu ấn sinh học đều có mặt, điều đó gây ra phản ứng thứ ba. Một hệ thống như vậy có thể tìm thấy ứng dụng trong y học, ví dụ như trong điều trị ung thư.
“Chúng tôi cũng có thể tích hợp thông tin phản hồi,” Fussalanger nói. Ví dụ, nếu biomarker B tồn tại trong cơ thể trong một thời gian dài hơn ở một nồng độ nhất định, điều này có thể chỉ ra rằng ung thư đang di căn. Máy tính sinh học sau đó sẽ tạo ra một chất hóa học nhắm vào những sự tăng trưởng đó để điều trị.
Bộ xử lý đa lõi có thể
“Máy tính di động này nghe có vẻ như là một ý tưởng rất cách mạng, nhưng thực tế không phải vậy”, Fussalanger nhấn mạnh. Ông tiếp tục: “Cơ thể con người là một máy tính lớn. Sự trao đổi chất của nó đã thu hút sức mạnh tính toán của hàng nghìn tỷ tế bào kể từ thời xa xưa.” Các tế bào này liên tục nhận thông tin từ thế giới bên ngoài hoặc từ các tế bào khác, xử lý tín hiệu và phản hồi tương ứng – cho dù đó là bằng cách phát ra các sứ giả hóa học hoặc kích hoạt các quá trình trao đổi chất. “Và trái ngược với một siêu máy tính kỹ thuật, chiếc máy tính lớn này chỉ cần một lát bánh mì để lấy năng lượng”, Fussalanger chỉ ra.
Mục tiêu tiếp theo của anh là tích hợp cấu trúc máy tính đa lõi vào một tế bào. “Điều này sẽ có sức mạnh tính toán thậm chí nhiều hơn so với cấu trúc lõi kép hiện tại”, ông nói.
Tài liệu được cung cấp bởi ETH Zurich .
Bản gốc được viết bởi Peter Rüegg.
Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.