Il primo computer cellulare con due core

Uno dei principali obiettivi della biologia sintetica è da tempo quello di controllare l'attività dei geni utilizzando circuiti informatici di formazione preliminare. Nella tecnologia digitale, le cosiddette porte logiche sono utilizzate per elaborare i segnali in ingresso. Ad esempio, consentono di creare circuiti in cui entrambi i segnali di ingresso A e B devono essere presenti allo stesso tempo affinché venga prodotto il segnale di uscita C.

Finora i biotecnologi hanno cercato di ricreare questi interruttori digitali nelle cellule con l'aiuto di interruttori genici proteici. Tuttavia, questi avevano uno svantaggio decisivo: non erano molto flessibili, consentivano solo una programmazione semplice e potevano elaborare solo un singolo segnale in ingresso, ad esempio una specifica molecola metabolica. I processi di calcolo più complessi sono quindi possibili solo in misura limitata nei computer cellulari, sono vulnerabili e spesso si bloccano.

Anche nel mondo digitale esistono interruttori che si basano su un unico input, ovvero gli elettroni. Tuttavia, gli interruttori elettronici compensano con la loro velocità: si attivano fino a un miliardo di volte al secondo. Le cellule, invece, sono più lente. Tuttavia, possono elaborare fino a 100.000 diverse molecole metaboliche al secondo come input. Tuttavia, i computer cellulari precedenti non potevano nemmeno avvicinarsi all'utilizzo di questa enorme capacità di calcolo metabolico di una cellula umana.

Una CPU fatta di bio-componenti

Un team di ricercatori guidati da Martin Fussenegger, professore di biotecnologia e bioingegneria presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo, ha trovato un modo per costruire un'unità di elaborazione centrale (CPU) a partire da componenti biologici, flessibile e programmabile in vari modi. Il processore sviluppato dagli scienziati dell'ETH si basa su un sistema Crispr/Cas modificato e può elaborare un numero qualsiasi di input sotto forma di molecole di RNA (il cosiddetto RNA guida).

Il cuore del processore è una variante speciale della proteina Cas9. In risposta agli input provenienti dalle sequenze di RNA guida, la CPU regola l'attività di un gene specifico in modo da produrre la proteina corrispondente. Ciò ha permesso ai ricercatori di programmare reti di commutazione scalabili in cellule umane che, come semiconduttori digitali, consistono in due ingressi e due uscite e possono sommare due numeri binari a una cifra.

Potente elaborazione dati multi-core

Gli scienziati si sono spinti oltre e hanno creato un processore biologico dual-core analogo al mondo digitale, incorporando due core di computer in una cellula. Per farlo, hanno utilizzato unità Crispr/Cas provenienti da due batteri diversi. "Abbiamo così creato il primo computer cellulare con più di un core", afferma soddisfatto Fussenegger.

Questo biocomputer non è solo estremamente piccolo, ma anche scalabile in linea di principio. "Immaginate un microtessuto con diversi miliardi di cellule, ognuna delle quali decide di avere un processore dual-core. Questi "organi di calcolo" potrebbero raggiungere una capacità di calcolo teorica di gran lunga superiore a quella di un supercomputer digitale, e con una frazione dell'energia", afferma Fussenegger.

Applicazioni in diagnostica e terapia

Un computer cellulare di questo tipo potrebbe essere utilizzato per riconoscere i segnali biologici provenienti dall'organismo, come determinati prodotti metabolici o sostanze messaggere, elaborarli e reagire come desiderato. Se la CPU è programmata di conseguenza, le cellule potrebbero riconoscere due diversi biomarcatori come segnali di ingresso. Se è presente solo il biomarcatore A, il biocomputer reagisce con la formazione di una molecola diagnostica o di una sostanza attiva. Se il computer cellulare registra solo il biomarcatore B, innesca la formazione di un'altra sostanza attiva. Se sono presenti entrambi i biomarcatori, si genera una terza reazione. Questo potrebbe essere utilizzato in medicina, ad esempio per il trattamento del cancro.

"Potremmo anche costruire dei circuiti di retroazione", sottolinea l'ETH. Se, ad esempio, il biomarcatore B è presente nel corpo in una certa concentrazione per un periodo di tempo più lungo, ciò potrebbe indicare la formazione di metastasi tumorali e il biocomputer produrrebbe di conseguenza una sostanza attiva che le combatte specificamente.

Computer multicore fattibili

"Non è così rivoluzionario come sembra questo computer cellulare", sottolinea Fussenegger. "Il nostro corpo umano è già un grande computer. Il metabolismo del corpo si è sempre basato sulla potenza di calcolo di trilioni di cellule", che ricevono costantemente informazioni dall'ambiente o da altre cellule, elaborano i segnali e reagiscono di conseguenza, rilasciando sostanze messaggere o innescando percorsi metabolici. "E a differenza di un supercomputer tecnico, questo grande computer ha bisogno solo di una fetta di pane per l'energia", spiega il ricercatore.