一种生物合成双核细胞计算机

基于从数字世界借鉴的模型，通过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。数字技术使用所谓的逻辑门来处理输入信号，创建电路，例如，只有当输入信号A和B同时出现时才产生输出信号C。到目前为止，生物技术专家已经尝试在细胞蛋白基因开关的帮助下建立这样的数字电路。然而，这些都有一些严重的缺点:它们不是很灵活，只能接受简单的编程，一次只能处理一个输入，比如一个特定的代谢分子。因此，单元中更复杂的计算过程只有在特定条件下才有可能，而且不可靠，而且经常失败。

即使在数字世界，电路也依赖于电子形式的单一输入。然而，这样的电路用它们的速度来补偿这一点，每秒可以执行多达10亿个命令。相比之下，细胞要慢一些，但每秒可以处理多达10万个不同的代谢分子作为输入。然而，以前的细胞计算机甚至还没有耗尽人类细胞的巨大代谢计算能力。

现在,已经找到一种方法,使用生物组件构建一个灵活的核心处理器,或中央处理单元(CPU),接受不同种类的编程。由ETH科学家开发的处理器基于改良的CRISPR-Cas9系统，基本上可以处理任意数量的RNA分子(称为导RNA)输入。Cas9蛋白的一种特殊变体构成了处理器的核心。作为对引导RNA序列输入的响应，CPU调控特定基因的表达，从而产生特定的蛋白质。通过这种方法，研究人员可以在人类细胞中编程可伸缩的电路——比如数字半加法器，它由两个输入和两个输出组成，可以添加两个个位二进制数字。

研究人员更进一步:他们创造了一种生物双核处理器，类似于数字世界中的处理器，将两个核集成到一个细胞中。为此，他们使用了来自两种不同细菌的CRISPR-Cas9成分。这种生物计算机不仅非常小，而且理论上可以扩展到任何可以想象的大小。想象一个拥有数十亿细胞的微组织，每个细胞都配备了自己的双核处理器。从理论上讲，这样的“计算器官”可以获得远远超过数字超级计算机的计算能力，而且只需要一小部分的能量。

细胞计算机可以用来探测体内的生物信号，如某些代谢产物或化学信使，对它们进行处理并作出相应的反应。通过适当编程的CPU，这些细胞可以将两种不同的生物标记解释为输入信号。如果只有生物标志物A存在，那么生物计算机就会通过形成诊断分子或药物物质作出反应。如果生物计算机只记录生物标志物B，那么它就会触发另一种物质的产生。如果这两种生物标志物都存在，就会引发第三种反应。这样的系统可以应用于医学，例如癌症治疗。

这种手机电脑听起来像是一个革命性的想法，但事实并非如此。人体本身就是一台大型计算机。自远古时代起，它的新陈代谢就利用了数万亿个细胞的计算能力。这些细胞不断地从外部世界或其他细胞接收信息，处理信号并做出相应的反应——无论是通过释放化学信使还是触发代谢过程。与技术超级计算机相比，这种大型计算机只需要一片面包就能提供能量。

下一个目标是将多核计算机结构集成到一个单元中。这将比目前的双核结构拥有更强的计算能力。