首個「雙核」細胞計算機問世！

導讀

據瑞士蘇黎世聯邦理工學院官網近日報道，該校研究人員開發出一種採用生物元件構造中央處理器的方法，並開發出首個具有雙核處理器的細胞計算機。

背景

電子計算機是人類最偉大的發明之一。它通常由晶元等電子元器件組成，通過指令對各種數據進行運算處理。如今，計算機已經深刻影響著國民經濟和個人生活的方方面面。

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（圖片來源：維基百科）

可是，科學家們不再滿足於傳統硅晶元等材料組成的電子計算機，開始將目光轉向對細胞的進行編程，將細胞變成一種「活」的計算機。這就是目前十分熱門的新興科技領域：合成生物學（synthetic biology）所要研究的。

(圖片來源：麻省理工學院)

目前，合成生物學家正在將微生物細胞轉化為「活」的器件，使之完成一系列有價值的任務，例如生產藥物、精細化學品和生物燃料，檢測病原體和在體內釋放醫藥分子。為此，他們讓細胞符合人工分子機制，從而可以感知環境中的毒素、代謝水平及驗證信號等一系列刺激。這些合成生物學電路與電子電路非常相似，它們都可以處理信息並作出邏輯判斷。

(圖片來源：麻省理工學院)

基於從數字世界中借鑒而來的模型，用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。數字技術採用所謂的「邏輯門」處理輸入信號並創造電路。下面兩幅圖分別展示了合成生物學電路的邏輯與門和邏輯或門。

（圖片來源：維基百科）

（圖片來源：維基百科）

迄今為止，生物技術專家們已經嘗試在細胞中蛋白質基因開關的幫助下構建數字電路。

（圖片來源：哈佛大學維斯研究所）

可是，這些電路具有一些缺點：它們並不是非常靈活，只能接受簡單編程，一次只能處理一個輸入，例如特定的代謝分子。因此，電路中更複雜的運算處理只能在特定條件下開展，並且不可靠，經常會失敗。

即使在數字世界中，電路也依賴於電子形式的單個輸入。可是，這種電路會通過速度來彌補這個缺點，它每秒鐘可執行高達百萬條指令。相比而言，細胞就會比較慢，每秒鐘只能處理達十萬個不同代謝分子的輸入。然而，之前的細胞計算機並未能耗盡人體細胞的巨大代謝計算能力。

創新

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）生物系統科學與工程系生物技術與生物工程教授馬丁·富塞內格爾（Martin Fussenegger）領導的科研團隊開發出一種採用生物元件構造靈活的中央處理器（CPU）的方法，這種CPU可以接受不同類型的編程。

(圖片來源: Colourbox/Steven Emmett, ETH Zurich)

技術

蘇黎世聯邦理工學院的科學家們開發的這種處理器，是基於一種改進的CRISPR-Cas9系統，它基本上可支持多個RNA分子（所謂的「嚮導RNA」）形式的輸入。

Cas9 蛋白的特殊變體構成了處理器的核心。在響應嚮導RNA序列提供的輸入的過程中，CPU 控制了特殊基因的表達，製造出一個特殊的蛋白。研究人員們通過這個方案，可以在人體細胞中編程可升級的電路。這些電路就像一個數字半加器，由兩個輸入和兩個輸出組成，可以執行兩個單位二進位數的加法。

可編程的CRISPR調控的基因開關設計（圖片來源：參考資料【1】）

研究人員們又更進了一步：他們將兩個核集成到一個細胞中，創造出一個生物雙核處理器，類似於數字世界中的雙核處理器。為此，他們採用了來自兩個不同細菌的CRISPR-Cas9成分。富塞內格爾對於結果感到滿意，他說：「我們創造出了首個具有雙核處理器的細胞計算機。」

通過布爾邏輯門應用構成的雙核CPU（圖片來源：參考資料【1】）

價值

這種生物計算機不僅極小，而且從理論上說可擴展至任何可想像到的尺寸。富塞內格爾表示：「想像一個具有數十億細胞的微觀組織，每個細胞都具有自己的雙核處理器。理論上，這種『計算器官』可遠遠超過數字超級計算機的運算能力，且消耗的能量很少。」

細胞計算機可用於檢測人體中的生物信號，例如特定的代謝產物或者化學信使，處理它們並作出相應的響應。通過一個適當編程的CPU，細胞可以將兩個不同的生物標誌物作為輸入信號。如果只有生物標誌物A出現，那麼生物計算機通過形成一個診斷分子或者一個藥劑物質來作出響應。如果生物計算機只記錄了生物標誌物B，那麼它將促使生成不同的物質。如果兩個生物標誌物都出現，那麼就會引起第三種反應。這種系統可以應用於醫學領域，例如癌症治療。

富塞內格爾表示：「我們也可以集成反饋。」例如，如果生物標誌物B在人體內較長時間保持一定濃度，這就表示癌症正在轉移。然後，生物計算機可以產生一個化學物質，針對那些生長物進行治療。

富塞內格爾強調：「這種細胞計算機聽上去如同一個革命性的構想，但其實並不是這樣。」他繼續說道：「人體本身就是一個大型計算機。自古以來，它的新陳代謝就消耗了數萬億細胞的計算能力。」

這些細胞持續地從外部世界或者其他細胞接收信息，處理信號並相應地作出響應，無論這些信息是由化學信使發出還是由代謝過程產生的。富塞內格爾指出：「與專門的超級計算機相比，這種大型計算機僅需要一片麵包的能量。」

未來

他的下一個目標是在細胞中集成多核計算機架構。他說：「這將比目前的雙核架構具備更強的計算機能力。」

關鍵字

細胞、合成生物學、計算機、基因、邏輯電路

參考資料

【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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