Biotech кажа, што можа запраграмаваць жыццё, каб рабіць новыя рэчы. Гэта праўда?

Людзі любяць загадваць, што рабіць. Усё, што мы можам стварыць, прагназаваць і кантраляваць - ад камп'ютараў да заводаў - мы можам запраграмаваць, каб атрымаць надзейныя, карысныя вынікі. Біятэхналогія дасягнула такой ступені, што навукоўцы ўсё часцей разглядаюць жывыя клеткі як праграмуемыя, але не ўсе згодныя з выкарыстаннем гэтага тэрміна. Удасканальваючы і рэдагуючы свае гены для стварэння розных карысных новых прадуктаў, малекул, хімічных рэчываў і матэрыялаў у маштабе, лідэры ў гэтай галіне сінтэтычнай біялогіі абяцаюць фундаментальна пераасэнсаваць тое, як мы ствараем рэчы, кіруючыся новымі і новымі метадамі рэдагавання ДНК і, здавалася б, бязмежны прадуктыўны патэнцыял біялогіі.

Такія кампаніі, як Zymergen, AmyrisAMRS
, і Gingko Bioworks з'яўляюцца аднымі з тых, хто прасоўвае гэтую канцэпцыю, якая стала асноўным прынцыпам многіх біятэхналогій. «Асноўная ідэя сінтэтычнай біялогіі заключаецца ў тым, што біялогія прынцыпова праграмуемая, таму што яна працуе на лічбавым кодзе ў выглядзе ДНК», - сказаў Джэйсан Кэлі, генеральны дырэктар Gingko Bioworks, на нядаўняй канферэнцыі. «Калі вы ўмееце чытаць і пісаць код, і ў вас ёсць машына, якая будзе яго запускаць — якую мы называем клеткай — гэта праграмаванне».

Жывыя істоты, ад самых простых клетак да складаных арганізмаў, ужо індустрыялізаваны. Відавочным прыкладам з'яўляецца жывёлагадоўля, або дрожджы, якія кідаюць у гіганцкія чаны, дзе яны вырабляюць неабходныя хімічныя рэчывы, такія як цытрынавая кіслата, у велізарных маштабах. Але што, калі гены гэтых дрожджаў можна было б адрэдагаваць так, каб яны замест гэтага выраблялі, напрыклад, каштоўны мінерал або фармацэўтычна карысную малекулу? Што, калі клеткі каровы можна было б перакадзіраваць, каб пастаянна атрымліваць чысты філе міньён?

Уяўленне можа разгуляцца з гэтай ідэяй: унесці правільныя інструкцыі ў клетку — або мільярды іх — і вырабіць новыя хімікаты або нетоксичные фарбавальнікі, ачысціць ваду, зрабіць больш эфектыўным біярэактары, хто ведае што яшчэ. Пры ўсім хваляванні і абяцаннях, калі гэтыя ідэі і метады становяцца ўсё больш распаўсюджанымі і дасканалымі, узнікаюць рознагалоссі і па пытанні: ці можам мы на самай справе прэтэндаваць на праграмнае жыццё як праграмнае забеспячэнне? Ці павінны мы? І што гэта наогул значыць?

Для некаторых біялогія праграмавання дае магчымасць забяспечыць беспрэцэдэнтнае матэрыяльнае і эканамічнае багацце для ўсёй планеты, адначасова паляпшаючы нашу ролю сцюардаў касмічнага карабля Зямля, даючы нам менш прычын здабываць выкапнёвае паліва або вырабляць атрутныя хімікаты для вытворчасці таго, што нам трэба. і каханне. Іншыя бачаць у гэтым паняцці не больш чым памылковую аналогію, нават контрпрадуктыўную памылковую характарыстыку, якая рызыкуе разглядаць жыццё як нешта значна менш складанае і загадкавае, чым яно ёсць на самой справе. Змена клімату - толькі адзін з прыкладаў таго, як такое стаўленне можа збіць нас са шляху. Як гэта часта бывае, разуменне можна знайсці ў прамежках паміж гэтымі пунктамі гледжання.

«Чорная скрыня» біялогіі

У найноўшай гісторыі людзі шмат чаго даведаліся аб унутранай працы жывых клетак. Прамысловасць зараз імкнецца да інавацый, узаемадзейнічаючы з гэтымі ўнутранымі функцыямі непасрэдна, ужываючы логіку вылічэнняў з выкарыстаннем новых магутных такія інструменты, як CRISPR для рэдагавання асобных генаў. Чалавечае разуменне жывых сістэм, якія гэтыя тэхналогіі адкрываюць для нас, усё яшчэ знаходзіцца ў зачаткавым стане, але яны ўжо выкарыстоўваюцца для прадуктыўнага выкарыстання. The тэхналогія мРНК за COVID-19, напрыклад, выхоўвае імунітэт, непасрэдна перапісваючы інструкцыі клетак па вытворчасці бялкоў. Калі гэта не праграмаванне, то што is гэта?

Ключом да ідэі праграмавання біялогіі з'яўляецца той факт, што жывыя сістэмы працуюць на кодзе, ДНК, які, а не адзінкі і нулі, мы інтэрпрэтуем як A, C, T і G. Гэта мова, на якой людзі могуць чытаць і нават вучацца пісаць, але мы пакуль не можам рабіць гэта свабодна. Па аналогіі мы можам працаваць са словамі і кароткімі фразамі, але не з поўнымі прапановамі, не кажучы ўжо пра абзацы або раздзелы. Змена толькі адной літары ў генетычнай паслядоўнасці можа прывесці да добрых, дрэнных або невыяўных вынікаў, і вельмі часта вынік не адпавядае лагічным чаканням.

Амаль нічога з гэтага не адпавядае камп'ютэрнаму коду, які людзі разумеюць на фундаментальным узроўні, таму што, ну, мы яго вынайшлі. Некаторыя сцвярджаюць, што па гэтай прычыне мы ніколі не можам па-сапраўднаму запраграмаваць біялогію ў значным сэнсе. Незалежна ад таго, якія меры мы прымаем для кантролю, яны нагадваюць нам, "жыццё знаходзіць шлях», каб падарваць або вырвацца з скрынак, якія мы будуем вакол іх (не заўсёды з такім драматычным эфектам, як Парк Юрскага перыяду). У лічбавым праграмаванні прадказальнасць з'яўляецца ключом. Прыкладанне для электронных табліц, якое час ад часу нечакана змяняе лічбавае значэнне, мала карысці. Але адно, што мы можам сказаць пра жыццё, гэта тое, што яно ёсць ня прадказальны. Фактычна, эвалюцыя абумоўлена непрадказальнасцю, генетычная мутацыя ўнесла вялікі ўклад у асляпляльную разнастайнасць жыцця на Зямлі.

У той жа час мы рэгулярна будуем і выкарыстоўваем складаныя сістэмы значна абмежаванай прадказальнасці. Самалёты, сістэмы дарожнага руху, камп'ютэрныя сеткі - усё гэта складаецца з такой колькасці меншых, прадказальных частак, што іх паводзіны прадказальныя толькі да пэўнага моманту, заўсёды здольныя рабіць тое, чаго ніхто не бачыць. Для ўсіх, хто не ведае яго ўнутранай працы, нават ідэальна пабудаваны кампутар можна назваць «чорнай скрыняй»: мы ведаем, што ўваходзіць і што выходзіць, не разумеючы, што адбываецца ўнутры. Нешта падобнае можна сказаць і пра цяперашнія адносіны да біялогіі.

Невыразная логіка

На шчасце для біятэхналогій, шлях да прагрэсу можа не патрабаваць поўнага разумення кодэкса жыцця. Больш глыбокія веды і здольнасці могуць быць дасягнуты абдымаючы непазбежныя поля таямніцы, якія прыходзяць ад працы з жывымі сістэмамі. Увядзенне новага генетычнага кода ў клетку з чаканым вынікам, адначасова адкрытае да нечаканага, можна назваць праграмаваннем або, магчыма, падштурхоўваннем, пастаноўкай пытання самой прыродзе. Нягледзячы на ​​тое, што гэта можа быць не такім надзейным і эфектыўным, як распрацоўка кода для камп'ютэрнай праграмы, перавагай з'яўляецца тое, што адказы часта здзіўляюць і часам тычацца пытанняў, якія нават не задаваліся. Вось як адбываюцца інавацыі, і гэта адрознівае біялогію ад любой іншай "праграмуемай" вобласці некаторымі захапляльнымі спосабамі.

У прамысловасці няма раскошы чакаць поўнага разумення складаных сістэм, аб якіх эвалюцыя марыла за апошнія чатыры мільярды гадоў, перш чым іх можна будзе выкарыстоўваць. Імператыў дасягнення этапаў і прадастаўлення карысных, маштабаваных і ў канчатковым выніку таварных прадуктаў не пакідае іншага варыянту, акрамя пошуку самага прамога шляху да найлепшых і найбольш карысных вынікаў. Прыняць рэальнасць працы з непрадказальнасцю азначае будаваць галоўным чынам прадказальныя сістэмы, якія могуць цярпець шмат нечаканых - але часта карысных - паводзін прыроды. Як толькі гэтыя працэсы ўваходзяць у сферу паўтаральнасці, прынятай традыцыйнымі вылічэннямі або вытворчымі працэсамі, адрозненне становіцца менш важным.

,en складанасці біялогіі гэта прычына для пакоры, але таксама і энтузіязму. У біятэхналогіях ёсць магчымасць вывучаць і нават выкарыстоўваць працэсы і здольнасці, якія ніхто ніколі не мог вынайсці, не кажучы ўжо пра тое, каб цалкам зразумець. Напрыклад, мы не вынаходзілі курыцу і, вядома, не разумеем усіх яе працоўных частак, што адбываецца ў яе галаве, калі мы яе кормім, або які ланцужок падзей ператварае збожжа ў яйка, з якога можна вырабіць цэлае новая курыца. Але яны прапануюць нам такую ​​вялікую каштоўнасць, надзейна і ў маштабе, што іх таксама можна лічыць перадавой тэхналогіяй. Такім чынам, пытанне аб тым, ці з'яўляецца рэдагаванне генаў і кадзіраванне жывых сістэм "праграмаваннем", у значнай ступені семантычнае. Гэта таксама другараднае ў адносінах да сапраўднага пытання: што будзе зроблена з гэтымі новымі і пастаянна паляпшаюцца здольнасцямі? Калі мы спрабуем зразумець асноўныя прынцыпы працы біялогіі, пакуль мы знаходзім спосабы палепшыць якасць нашага жыцця і здароўе планеты, не мае значэння, якое слова мы выкарыстоўваем, каб апісаць гэта.