Biotech каже, що може запрограмувати життя на створення нових речей. Це правда?

Люди люблять розповідати, що робити. Все, що ми можемо встановити, передбачити й контролювати — від комп’ютерів до фабрик — ми можемо запрограмувати, щоб отримати надійні й корисні результати. Біотехнологія дозріла до того моменту, коли вчені все частіше вважають живі клітини програмованими, але не всі згодні з використанням цього терміну. Досліджуючи та редагуючи свої гени, щоб створити всі види корисних нових продуктів, молекул, хімічних речовин і матеріалів у масштабі, лідери в цій галузі синтетичної біології обіцяють кардинально заново винайти те, як ми створюємо речі, керуючись новими та новими методами редагування ДНК. і, здавалося б, безмежний продуктивний потенціал біології.

Такі компанії, як Zymergen, AmyrisAMRS
, і Gingko Bioworks є одними з тих, хто просуває цю концепцію, яка стала основним принципом для багатьох у біотехнологіях. «Основна ідея синтетичної біології полягає в тому, що біологія принципово програмована, оскільки вона працює на цифровому коді у формі ДНК», — сказав Джейсон Келлі, генеральний директор Gingko Bioworks, на нещодавній конференції. «Якщо ви вмієте читати та писати код, і у вас є машина, яка запускатиме його — яку ми називаємо клітинкою — це програмування».

Живі істоти, від найпростіших клітин до складних організмів, вже індустріалізовані. Очевидним прикладом є тваринництво, або дріжджі, які кидають у гігантські чани, де вони виробляють важливі хімічні речовини, такі як лимонна кислота, у величезних масштабах. Але що, якби гени цих дріжджів можна було відредагувати так, щоб вони замість цього виробляли, наприклад, дорогоцінний мінерал або фармацевтично корисну молекулу? Що якби клітини корови можна було б перекодувати, щоб отримати постійний запас чистого філе-міньйону?

Уява може розгулятися з цією ідеєю: введіть правильні інструкції в клітинку — або в мільярди їх — і виробляйте нові хімічні речовини чи нетоксичні барвники, очищайте воду, робіть більш ефективними біореактори, хтозна що ще. Незважаючи на все хвилювання та обіцянки, оскільки ці ідеї та методи стають все більш поширеними та витонченими, розбіжності також виникають щодо питання: чи можемо ми насправді претендувати на життя програми, як програмне забезпечення? Чи варто нам? І що це взагалі означає?

Для деяких біологія програмування дає можливість забезпечити безпрецедентний матеріальний та економічний достаток для всієї планети, а також покращує нашу роль розпорядників космічного корабля Земля, даючи нам менше причин викопувати викопне паливо або виробляти отруйні хімікати для виробництва необхідних речей. і любов. Інші бачать це поняття лише як хибну аналогію, навіть контрпродуктивну неправильну характеристику, яка ризикує розглядати життя як щось набагато менш складне та загадкове, ніж воно є насправді. Зміна клімату є лише одним із прикладів того, як таке ставлення може збити нас із шляху. Як це часто буває, розуміння можна знайти в проміжках між цими точками зору.

«Чорна скринька» біології

У новітній історії люди багато дізналися про внутрішню роботу живих клітин. Зараз промисловість прагне впроваджувати інновації, безпосередньо взаємодіючи з цими внутрішніми механізмами, застосовуючи логіку обчислень, використовуючи потужні нові інструменти, такі як CRISPR редагувати окремі гени. Людське розуміння живих систем, які відкривають для нас ці технології, все ще знаходиться в зародковому стані, але вони вже активно використовуються. The технологія мРНК наприклад, що стоїть за COVID-19, сприяє зміцненню імунітету, безпосередньо переписуючи інструкції клітин для виробництва білків. Якщо це не програмування, то що is це?

Ключем до ідеї біології програмування є той факт, що живі системи працюють на коді, ДНК, який, а не одиниці та нулі, ми інтерпретуємо як A, C, T і G. Це мова, яку люди можуть читати і навіть вчаться писати, але ми поки не можемо цього вільно. За аналогією ми можемо працювати зі словами та короткими фразами, але не повними реченнями, не кажучи вже про абзаци чи розділи. Зміна лише однієї літери в генетичній послідовності може призвести до хороших, поганих або непомітних результатів, і дуже часто результат не відповідає логічним очікуванням.

Майже нічого з цього не стосується комп’ютерного коду, який люди розуміють на фундаментальному рівні, тому що ми його винайшли. Деякі стверджують, що з цієї причини ми ніколи не зможемо запрограмувати біологію у значущому сенсі. Незалежно від того, які заходи ми вживаємо для контролю, вони нагадують нам: «життя знаходить спосіб», щоб підірвати або вирватися з коробок, які ми будуємо навколо них (не завжди до такого драматичного ефекту, як «Парк Юрського періоду»). У цифровому програмуванні передбачуваність є ключовою. Програма для електронних таблиць, яка час від часу несподівано змінює числове значення, мало користі. Проте одне, що ми можемо напевно сказати про життя, це те, що воно є НЕ передбачуваний. Насправді, еволюція керується непередбачуваністю, генетична мутація внесла велику частину сліпучого різноманіття життя на Землі.

При цьому ми регулярно будуємо та використовуємо складні системи значно обмеженої передбачуваності. Літаки, транспортні системи, комп’ютерні мережі — все це складається з такої кількості менших, передбачуваних частин, що їхня поведінка передбачувана лише до певної точки, завжди здатні зробити те, чого ніхто не бачить. Для тих, хто не знає його внутрішньої роботи, навіть ідеально сконструйований комп’ютер можна назвати «чорним ящиком»: ми знаємо, що входить і що виходить, не розуміючи, що відбувається всередині. Щось подібне можна було б сказати про теперішнє ставлення до біології.

Fuzzy Logic

На щастя для біотехнології, шлях до прогресу може не вимагати повного розуміння коду життя. Більш глибокі знання та здібності можуть бути досягнуті обіймаючи неминучі межі таємниці, які приходять від роботи з живими системами. Введення нового генетичного коду в клітину з очікуваним результатом, а також відкритість для несподіванок можна назвати програмуванням або, можливо, підштовхуванням, поставивши питання до самої природи. Хоча це може бути не таким надійним чи ефективним, як складання коду для комп’ютерної програми, перевагою є те, що відповіді часто дивують, а іноді стосуються питань, які навіть не задавали. Саме так відбуваються інновації, які відрізняють біологію від будь-якої іншої «програмованої» області деякими захоплюючими способами.

У промисловості немає такої розкоші чекати повного розуміння складних систем, про які еволюція мріяла протягом останніх чотирьох мільярдів років, перш ніж їх можна буде використовувати. Необхідність досягти основних етапів і постачати корисні, масштабовані та в кінцевому підсумку ринкові продукти не залишає іншого вибору, крім як знайти найбільш прямий шлях до найкращих і найкорисніших результатів. Прийняти реальність працювати з непередбачуваністю означає будувати в основному передбачувані системи, які можуть терпіти багато несподіваних — але часто корисних — поведінки природи. Як тільки ці процеси перебувають у сфері повторюваності, прийнятої традиційними обчислювальними або виробничими процесами, розрізнення стає менш важливим.

Команда складність біології є приводом для смирення, але також і для ентузіазму. У біотехнології є можливість вчитися і навіть використовувати процеси та здібності, які ніхто ніколи не міг винайти, не кажучи вже про повне розуміння. Ми не винайшли курку, наприклад, і, звичайно, не розуміємо всі її робочі частини, що відбувається в її голові, коли ми її годуємо, або який ланцюг подій перетворює зерно в яйце, яке може виробляти ціле нова курка. Але вони пропонують нам таку цінність, надійність і масштаби, що їх можна вважати передовою технологією. Таким чином, питання про те, чи є редагування генів і кодування живих систем «програмуванням», є значною мірою семантичним. Це також другорядне по відношенню до справжнього питання: що буде зроблено з цими новими та постійно покращуваними здібностями? Намагаючись зрозуміти фундаментальні принципи роботи біології, поки ми знаходимо способи покращення якості нашого життя та здоров’я планети, насправді не має значення, яким словом ми це опишемо.