首个“双核”细胞计算机问世！

导读

据瑞士苏黎世联邦理工学院官网近日报道，该校研究人员开发出一种采用生物元件构造中央处理器的方法，并开发出首个具有双核处理器的细胞计算机。

背景

电子计算机是人类最伟大的发明之一。它通常由芯片等电子元器件组成，通过指令对各种数据进行运算处理。如今，计算机已经深刻影响着国民经济和个人生活的方方面面。

（图片来源：维基百科）

可是，科学家们不再满足于传统硅芯片等材料组成的电子计算机，开始将目光转向对细胞的进行编程，将细胞变成一种“活”的计算机。这就是目前十分热门的新兴科技领域：合成生物学（synthetic biology）所要研究的。

(图片来源：麻省理工学院)

目前，合成生物学家正在将微生物细胞转化为“活”的器件，使之完成一系列有价值的任务，例如生产药物、精细化学品和生物燃料，检测病原体和在体内释放医药分子。为此，他们让细胞符合人工分子机制，从而可以感知环境中的毒素、代谢水平及验证信号等一系列刺激。这些合成生物学电路与电子电路非常相似，它们都可以处理信息并作出逻辑判断。

(图片来源：麻省理工学院)

基于从数字世界中借鉴而来的模型，用基因开关控制基因表达，一直是合成生物学的主要目标之一。数字技术采用所谓的“逻辑门”处理输入信号并创造电路。下面两幅图分别展示了合成生物学电路的逻辑与门和逻辑或门。

（图片来源：维基百科）

（图片来源：维基百科）

迄今为止，生物技术专家们已经尝试在细胞中蛋白质基因开关的帮助下构建数字电路。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

可是，这些电路具有一些缺点：它们并不是非常灵活，只能接受简单编程，一次只能处理一个输入，例如特定的代谢分子。因此，电路中更复杂的运算处理只能在特定条件下开展，并且不可靠，经常会失败。

即使在数字世界中，电路也依赖于电子形式的单个输入。可是，这种电路会通过速度来弥补这个缺点，它每秒钟可执行高达百万条指令。相比而言，细胞就会比较慢，每秒钟只能处理达十万个不同代谢分子的输入。然而，之前的细胞计算机并未能耗尽人体细胞的巨大代谢计算能力。

创新

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）生物系统科学与工程系生物技术与生物工程教授马丁·富塞内格尔（Martin Fussenegger）领导的科研团队开发出一种采用生物元件构造灵活的中央处理器（CPU）的方法，这种CPU可以接受不同类型的编程。

 (图片来源:  Colourbox/Steven Emmett, ETH Zurich)

技术

苏黎世联邦理工学院的科学家们开发的这种处理器，是基于一种改进的CRISPR-Cas9系统，它基本上可支持多个RNA分子（所谓的“向导RNA”）形式的输入。

Cas9 蛋白的特殊变体构成了处理器的核心。在响应向导RNA序列提供的输入的过程中，CPU 控制了特殊基因的表达，制造出一个特殊的蛋白。研究人员们通过这个方案，可以在人体细胞中编程可升级的电路。这些电路就像一个数字半加器，由两个输入和两个输出组成，可以执行两个单位二进制数的加法。

可编程的CRISPR调控的基因开关设计（图片来源：参考资料【1】）

研究人员们又更进了一步：他们将两个核集成到一个细胞中，创造出一个生物双核处理器，类似于数字世界中的双核处理器。为此，他们采用了来自两个不同细菌的CRISPR-Cas9成分。富塞内格尔对于结果感到满意，他说：“我们创造出了首个具有双核处理器的细胞计算机。”

通过布尔逻辑门应用构成的双核CPU（图片来源：参考资料【1】）

价值

这种生物计算机不仅极小，而且从理论上说可扩展至任何可想象到的尺寸。富塞内格尔表示：“想象一个具有数十亿细胞的微观组织，每个细胞都具有自己的双核处理器。理论上，这种‘计算器官’可远远超过数字超级计算机的运算能力，且消耗的能量很少。”

细胞计算机可用于检测人体中的生物信号，例如特定的代谢产物或者化学信使，处理它们并作出相应的响应。通过一个适当编程的CPU，细胞可以将两个不同的生物标志物作为输入信号。如果只有生物标志物A出现，那么生物计算机通过形成一个诊断分子或者一个药剂物质来作出响应。如果生物计算机只记录了生物标志物B，那么它将促使生成不同的物质。如果两个生物标志物都出现，那么就会引起第三种反应。这种系统可以应用于医学领域，例如癌症治疗。

富塞内格尔表示：“我们也可以集成反馈。”例如，如果生物标志物B在人体内较长时间保持一定浓度，这就表示癌症正在转移。然后，生物计算机可以产生一个化学物质，针对那些生长物进行治疗。

富塞内格尔强调：“这种细胞计算机听上去如同一个革命性的构想，但其实并不是这样。”他继续说道：“人体本身就是一个大型计算机。自古以来，它的新陈代谢就消耗了数万亿细胞的计算能力。”

这些细胞持续地从外部世界或者其他细胞接收信息，处理信号并相应地作出响应，无论这些信息是由化学信使发出还是由代谢过程产生的。富塞内格尔指出：“与专门的超级计算机相比，这种大型计算机仅需要一片面包的能量。”

未来

他的下一个目标是在细胞中集成多核计算机架构。他说：“这将比目前的双核架构具备更强的计算机能力。”

关键字

细胞、合成生物学、计算机、基因、逻辑电路

参考资料

【1】Hyojin Kim, Daniel Bojar, Martin Fussenegger. A CRISPR/Cas9-based central processing unit to program complex logic computation in human cells. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 116 (15): 7214 DOI: 10.1073/pnas.1821740116

【2】https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/04/biosynthetic-dual-core-cell-computer.html

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