一種生物合成雙核細胞計算機

基於從數字世界借鑑的模型，通過基因開關控制基因表達一直是合成生物學的主要目標之一。數字技術使用所謂的邏輯門來處理輸入信號，創建電路，例如，只有當輸入信號A和B同時出現時才產生輸出信號C。到目前爲止，生物技術專家已經嘗試在細胞蛋白基因開關的幫助下建立這樣的數字電路。然而，這些都有一些嚴重的缺點:它們不是很靈活，只能接受簡單的編程，一次只能處理一個輸入，比如一個特定的代謝分子。因此，單元中更復雜的計算過程只有在特定條件下才有可能，而且不可靠，而且經常失敗。

即使在數字世界，電路也依賴於電子形式的單一輸入。然而，這樣的電路用它們的速度來補償這一點，每秒可以執行多達10億個命令。相比之下，細胞要慢一些，但每秒可以處理多達10萬個不同的代謝分子作爲輸入。然而，以前的細胞計算機甚至還沒有耗盡人類細胞的巨大代謝計算能力。

現在,已經找到一種方法,使用生物組件構建一個靈活的核心處理器,或中央處理單元(CPU),接受不同種類的編程。由ETH科學家開發的處理器基於改良的CRISPR-Cas9系統，基本上可以處理任意數量的RNA分子(稱爲導RNA)輸入。Cas9蛋白的一種特殊變體構成了處理器的核心。作爲對引導RNA序列輸入的響應，CPU調控特定基因的表達，從而產生特定的蛋白質。通過這種方法，研究人員可以在人類細胞中編程可伸縮的電路——比如數字半加法器，它由兩個輸入和兩個輸出組成，可以添加兩個個位二進制數字。

研究人員更進一步:他們創造了一種生物雙核處理器，類似於數字世界中的處理器，將兩個核集成到一個細胞中。爲此，他們使用了來自兩種不同細菌的CRISPR-Cas9成分。這種生物計算機不僅非常小，而且理論上可以擴展到任何可以想象的大小。想象一個擁有數十億細胞的微組織，每個細胞都配備了自己的雙核處理器。從理論上講，這樣的“計算器官”可以獲得遠遠超過數字超級計算機的計算能力，而且只需要一小部分的能量。

細胞計算機可以用來探測體內的生物信號，如某些代謝產物或化學信使，對它們進行處理並作出相應的反應。通過適當編程的CPU，這些細胞可以將兩種不同的生物標記解釋爲輸入信號。如果只有生物標誌物A存在，那麼生物計算機就會通過形成診斷分子或藥物物質作出反應。如果生物計算機只記錄生物標誌物B，那麼它就會觸發另一種物質的產生。如果這兩種生物標誌物都存在，就會引發第三種反應。這樣的系統可以應用於醫學，例如癌症治療。

這種手機電腦聽起來像是一個革命性的想法，但事實並非如此。人體本身就是一臺大型計算機。自遠古時代起，它的新陳代謝就利用了數萬億個細胞的計算能力。這些細胞不斷地從外部世界或其他細胞接收信息，處理信號並做出相應的反應——無論是通過釋放化學信使還是觸發代謝過程。與技術超級計算機相比，這種大型計算機只需要一片面包就能提供能量。

下一個目標是將多核計算機結構集成到一個單元中。這將比目前的雙核結構擁有更強的計算能力。