ساخت کامپیوترهای دوهسته‌ای درون سلول‌های انسانی

سیستم ویرایش ژن کریسپر معمولا ازنظر کمک به درمان بیماری‌های ژنتیکی معروف است؛ ولی این تکنولوژی کاربردهای وسیعی در شاخه‌ی زیست‌شناسی مصنوعی نیز دارد. به‌تازگی، پژوهشگرانی از دانشگاه ETH زوریخ از تکنیک کریسپر برای ساخت کامپیوترهای زیستی عملکردی درون سلول‌های انسانی استفاده کرده‌اند.

همان‌قدرکه کامپیوترهای مدرن قدرتمند هستند، طبیعت نیز ما را به بهترین نحو مهندسی کرده است. موجودات زنده را نیز می‌توان هم‌چون کامپیوتر در نظر گرفت. سلول‌های آن‌ها مانند دروازه‌های منطقی عمل می‌کنند، ورودی‌ها را از جهان خارج می‌گیرند، آن‌ها را پردازش می‌کنند و با فرایندهای متابولیکی خاصی دربرابر آن‌ها پاسخ می‌دهند. مارتین فوسنگر، یکی از پژوهشگران این مطالعه می‌گوید:

بدن انسان کامپیوتر بزرگی است که از زمان‌های بسیار قدیم، متابولیسم آن متکی به قدرت محاسباتی تریلیون‌ها سلول بوده است. برخلاف ابرکامپیوتر فنی، این کامپبوتر بزرگ برای تأمین انرژی‌اش فقط به تکه‌ای نان نیاز دارد.

از تکنیک کریسپر برای واردکردن پردازنده‌های کامپیوتری زیستی درون سلول‌های انسانی استفاده شد

بهره‌برداری از این فرایندهای طبیعی برای ساخت مدارهای منطقی یکی از اهداف مهم زیست‌شناسی مصنوعی است. برای رسیدن به این هدف، پژوهشگران با استفاده از فرم اصلاح‌شده‌ای از ابزار کریسپر، راهی برای جاسازی پردازنده‌های دوهسته‌ای درون سلول‌های انسانی پیدا کردند.

معمولا این سیستم از توالی‌های راهنمایی از نوع RNA برای هدف‌قراردادن قطعات خاصی از DNA در ژنوم استفاده و سپس، ژنوم را به دقت ویرایش می‌کند. باوجوداین برای این پروژه، پژوهشگران نسخه‌ی خاصی از آنزیم Cas9 را ایجاد کردند که می‌تواند به‌عنوان پردازنده عمل کند. این Cas9 خاص RNA راهنما را به‌عنوان اطلاعات ورودی می‌خواند و در پاسخ موجب بیان ژن‌های خاصی می‌شود. این کار باعث تولید پروتئین‌های خاصی به‌عنوان خروجی می‌شود. این پردازنده‌ها مانند نیم‌جمع‌کننده‌های دیجیتال عمل می‌کنند. آن‌ها می‌توانند دو ورودی را مقایسه یا دو عدد دودویی را جمع کنند و دو خروجی تحویل دهند.

پژوهشگران برای افزایش قدرت محاسباتی سعی کردند دو هسته‌ی پردازنده را در یک سلول بگنجانند. در بلندمدت، این کامپیوترهای سلولی دوهسته‌ای می‌توانند ارتقا یابند و برای تشخیص و درمان بیماری‌ها، کامپیوترهای زیستی قدرتمندی ساخته شود. برای مثال، پژوهشگران می‌گویند می‌توانند به‌دنبال نشانگرهای زیستی بگردند و بسته به اینکه کدام نشانگر موجود باشد، با تولید ملکول‌های درمانی مختلفی واکنش نشان دهند. فوسنگر می‌گوید:

بافت زیری را تصور کنید که حاوی میلیاردها سلول باشد که هرکدام از آن‌ها به پردازنده‌های دوهسته‌ای مخصوص خود مجهز باشند. ازلحاظ تئوری، این‌چنین اعضای محاسباتی می‌توانند چنان قدرت محاسباتی به‌دست آورند که بسیار فراتر از قدرت اَبَرکامپیوتر دیجیتال باشد و در‌عین‌حال، مقدار کمی انرژی مصرف خواهند کرد.

گفتنی است نتایج این پژوهش در مجله‌ی PNAS منتشر شده است.