Erster Zellcomputer mit zwei Rechnerkernen

Schon lange geh?rt es zu den grossen Zielen der Synthetischen Biologie, die Aktivit?t von Genen mit Rechenschaltungen nach digitalem Vorbild zu steuern. In der Digitaltechnik werden sogenannte logische Gatter verwendet, um Eingangssignale zu verarbeiten. Sie erm?glichen beispielsweise Schaltungen, bei denen beide Eingangssignale A und B gleichzeitig vorhanden sein m¨¹ssen, damit das Ausgangssignal C produziert wird.

Bislang versuchten die Biotechnologen solche digitalen Schalter mit Hilfe von Protein-Gen-Schaltern in Zellen nachzubauen. Diese hatten jedoch einen entscheidenden Nachteil: Sie waren wenig flexibel, liessen nur einfache Programmierungen zu und konnten jeweils nur ein einziges Eingabesignal, zum Beispiel ein bestimmtes Stoffwechselmolek¨¹l, verarbeiten. Komplexere Rechenvorg?nge sind deshalb in Zellrechnern nur bedingt m?glich, anf?llig und st¨¹rzen h?ufig ab.

Zwar kennt auch die digitale Welt Schalter, die nur auf einer einzigen Eingabe beruhen, n?mlich Elektronen. Die elektronischen Schalter machen dies jedoch durch ihre Geschwindigkeit wett: Sie werden bis zu einer Milliarde mal pro Sekunde angesteuert. Verglichen damit sind Zellen langsamer. Daf¨¹r k?nnen sie bis zu 100'000 unterschiedliche Stoffwechselmolek¨¹le pro Sekunde als Eingabe verarbeiten. Bisherige Zellrechner konnten diese enorme metabolische Rechenkapazit?t einer menschlichen Zelle allerdings nicht ann?hernd aussch?pfen.

Eine CPU aus Biobauteilen

Ein Team von Forschern um Martin Fussenegger, Professor f¨¹r Biotechnologie und Bioingenieurwissenschaften am Departement Biosysteme der ETH Z¨¹rich in Basel, hat nun einen Weg gefunden, einen zentralen Prozessor, die ?central processing unit? (CPU) aus biologischen Bauteilen zu konstruieren, die flexibel und vielseitig programmierbar ist. Der von den ETH-Wissenschaftlern entwickelte Prozessor beruht auf einem modifizierten Crispr/Cas-System und kann beliebig viele Eingaben in Form von RNA-Molek¨¹len (sogenannter Leit-RNA) verarbeiten.

Den Kern des Prozessors stellt eine spezielle Variante des Cas9-Proteins dar. Die CPU reguliert als Antwort auf die Eingabe durch Leit-RNA-Sequenzen die Aktivit?t eines bestimmten Gens, sodass das zugeh?rige Protein hergestellt wird. Damit konnten die Forscher in menschlichen Zellen skalierbare Schaltnetze programmieren, welche wie digitale Halbaddierer aus zwei Eing?ngen und zwei Ausg?ngen bestehen und zwei einstellige Bin?rzahlen addieren k?nnen.

Leistungsf?hige Mehrkern-Datenverarbeitung

Die Wissenschaftler gingen sogar noch einen Schritt weiter und schufen analog zur digitalen Welt einen biologischen Dual-Core-Prozessor, in dem sie zwei Rechnerkerne in eine Zelle einbauten. Dazu verwendeten sie Crispr/Cas-Einheiten von zwei unterschiedlichen Bakterien. ?Damit haben wir den ersten Zellcomputer mit mehr als einem Rechnerkern geschaffen?, freut sich Fussenegger.

Dieser Biocomputer ist nicht nur extrem klein, sondern im Prinzip auch beliebig skalierbar. ?Man stelle sich ein Mikrogewebe mit mehreren Milliarden Zellen vor, und jede davon verf¨¹gt ¨¹ber einen Dual-Core-Prozessor. Solche ?Rechenorgane? k?nnten eine theoretische Rechenkapazit?t erreichen, welche diejenige eines digitalen Supercomputers bei weitem ¨¹bertrifft, und das mit einem Bruchteil der Energie?, sagt Fussenegger.

Anwendungen in der Diagnostik und Therapie

Ein solcher Zellcomputer k?nnte dazu verwendet werden, biologische Signale aus dem K?rper, wie gewisse Stoffwechselprodukte oder Botenstoffe wahrzunehmen, sie zu verarbeiten und wunschgem?ss zu reagieren. Programmiert man die CPU entsprechend, k?nnten die Zellen zwei verschiedene Biomarker als Eingangssignale wahrnehmen. Ist nur Biomarker A vorhanden, dann reagiert der Biocomputer mit der Bildung eines diagnostischen Molek¨¹ls oder eines Wirkstoffs. Registriert der Zellcomputer nur Biomarker B, dann l?st er die Bildung eines anderen Wirkstoffs aus. Sind beide Biomarker vorhanden, dann erzeugt dies eine dritte Reaktion. Angewendet k?nnte dies in der Medizin, zum Beispiel zur Behandlung von Krebs.

?Wir k?nnten zudem R¨¹ckkopplungen einbauen?, betont der ETH-Professor. Sei beispielsweise Biomarker B ¨¹ber l?ngere Zeit in einer gewissen Konzentration im K?rper vorhanden, dann k?nnte das auf die Bildung von Krebsmetastasen hindeuten und der Biocomputer w¨¹rde dementsprechend einen Wirkstoff bilden, der speziell diese bek?mpft.

Mehrkernrechner machbar

?Ganz so revolution?r wie sich dieser Zellcomputer anh?rt, ist die Sache nicht?, betont Fussenegger. ?Unser menschlicher K?rper ist bereits ein einziger Grosscomputer. Der Stoffwechsel des K?rpers beruht seit jeher auf Rechenleistungen von Billionen von Zellen.? Sie nehmen laufend Informationen aus der Umwelt oder von anderen Zellen auf, verarbeiten die Signale und reagieren entsprechend, sei es durch das Aussch¨¹tten von Botenstoffen oder auch indem sie Stoffwechselwege in Gang setzten. ?Und dieser Grosscomputer braucht anders als ein technischer Supercomputer nur eine Scheibe Brot als Energie?, sagt der Forscher.