Biotech казва, че може да програмира живота за създаване на нови неща. Вярно ли е?

Хората обичат да казват какво да правят. Всичко, което можем да установим, предвидим и контролираме – от компютри до фабрики – можем да програмираме, за да получим надеждни и полезни резултати. Биотехнологията е узряла до точката, в която учените все повече разглеждат живите клетки като програмируеми, но не всеки е съгласен с използването на този термин. Чрез бърникане и редактиране на техните гени, за да създадат всякакви полезни нови продукти, молекули, химикали и материали в мащаб, лидерите в тази област на синтетичната биология обещават фундаментално да преоткрият начина, по който правим нещата, водени от нови и нововъзникващи техники за редактиране на ДНК и привидно безграничния продуктивн потенциал на биологията.

Компании като Zymergen, AmyrisAMRS
, и Gingko Bioworks са някои от тези, които развиват тази концепция, която се превърна в основен принцип сред много в биотехнологиите. „Основната идея зад синтетичната биология е, че биологията е фундаментално програмируема, защото работи върху цифров код под формата на ДНК“, каза Джейсън Кели, главен изпълнителен директор на Gingko Bioworks, на скорошна конференция. „Ако можете да четете и пишете код и имате машина, която ще го изпълнява – което ние наричаме клетка – това е програмиране.

Живите същества, от най-простите клетки до сложните организми, вече са индустриализирани. Животновъдството е очевиден пример или дрожди, които се хвърлят в гигантски вани, където произвеждат основни химикали като лимонена киселина в огромни мащаби. Но какво ще стане, ако гените на тези дрожди могат да бъдат редактирани така, че вместо това да произвеждат, например, ценен минерал или фармацевтично полезна молекула? Ами ако клетките на крава могат да бъдат прекодирани, за да се получи постоянно снабдяване с чисто филе миньон?

Въображението може да се развихри с тази идея: подадете правилните инструкции в клетка – или милиарди от тях – и произвеждайте нови химикали или нетоксични багрила, пречиствайте водата, правете по-ефективни биореактори, кой знае какво още. Въпреки цялото вълнение и обещание, тъй като тези идеи и техники стават все по-широко разпространени и усъвършенствани, се появяват и разногласия по въпроса: можем ли наистина претендира за живот на програмата като софтуер? Трябва ли? И какво изобщо означава това?

За някои биологията на програмирането предлага възможността да осигури несравнимо материално и икономическо изобилие за цялата планета, като същевременно подобрява ролята ни на стюарди на космическия кораб Земя, като ни дава по-малко причини да копаем изкопаеми горива или да произвеждаме отровни химикали, за да произвеждаме нещата, от които се нуждаем. и любов. Други виждат цялата идея като малко повече от погрешна аналогия, дори контрапродуктивна погрешна характеристика, която рискува да третира живота като нещо много по-малко сложно и мистериозно, отколкото е в действителност. Изменението на климата е само един пример за това как подобни нагласи могат да ни подведат. Както често се случва, прозрението може да се намери в пространствата между тези гледни точки.

„Черната кутия“ на биологията

В най-новата история хората са научили много за вътрешната работа на живите клетки. Индустрията сега търси иновации, като взаимодейства директно с тези вътрешни работи, прилагайки логиката на изчисленията чрез използване на мощни нови инструменти като CRISPR за редактиране на отделни гени. Човешкото разбиране за живите системи, които тези технологии отключват за нас, все още е в начален стадий, но те вече се използват за продуктивна употреба. В mRNA технология зад COVID-19, например, насърчава имунитета чрез директно пренаписване на инструкциите на клетките за производство на протеини. Ако това не е програмиране, какво is тя?

Ключът към идеята за програмната биология е фактът, че живите системи работят върху код, ДНК, който вместо единици и нули ние интерпретираме като A, C, T и G. Това е език, който хората могат да четат и дори се учат да пишат, но все още не можем да го правим свободно. По аналогия можем да работим с думи и кратки фрази, но не и с цели изречения, да не говорим за параграфи или глави. Промяната само на една буква в генетична последователност може да доведе до добри, лоши или неоткриваеми резултати и много често резултатът не следва логическите очаквания.

Почти нищо от това не е вярно за компютърния код, който хората разбират на фундаментално ниво, защото ние го измислихме. Някои твърдят, че поради тази причина никога не можем наистина да програмираме биологията в смислен смисъл. Без значение какви мерки предприемаме, за да го контролираме, те ни напомнят: „животът намира начин”, за да подкопаем или да излезем от кутиите, които изграждаме около тях (не винаги с такъв драматичен ефект като Джурасик Парк). В цифровото програмиране предсказуемостта е ключова. Няма голяма полза от приложение за електронни таблици, което неочаквано променя числова стойност от време на време. И все пак едно нещо, което можем да кажем със сигурност за живота, е, че е така не предсказуем. Всъщност еволюцията се захранва от непредсказуемост, генетична мутация е допринесла за голяма част от ослепителното разнообразие от живот на Земята.

В същото време ние редовно изграждаме и използваме сложни системи със значително ограничена предсказуемост. Самолетите, системите за движение, компютърните мрежи, всички са съставени от толкова много по-малки, предвидими части, че тяхното поведение е предвидимо само до определен момент, винаги способни да направят нещо, което никой не вижда да идва. За всеки, който не познава вътрешната му работа, дори един перфектно конструиран компютър може да се нарече „черна кутия“: ние знаем какво влиза и какво излиза, без да разбираме какво се случва вътре. Нещо подобно може да се каже за сегашната връзка с биологията.

Размита логика

За щастие на биотехнологиите, пътят към прогреса може да не изисква пълно разбиране на кода на живота. По-задълбочени знания и способности могат да бъдат постигнати чрез прегърнати неизбежните граници на мистерия, които идват от работата с живи системи. Подаването на нов генетичен код в клетка с очакван резултат, като същевременно е отворено за неочаквано, може да се нарече програмиране или може би подтикване, поставяне на въпрос към самата природа. Въпреки че това може да не е толкова надеждно или ефективно, колкото изготвянето на код за компютърна програма, положителното е, че отговорите често са изненадващи и понякога се отнасят до въпроси, които дори не са били зададени. Ето как се случват иновациите и те отличават биологията от всяка друга „програмируема“ област по някои вълнуващи начини.

В индустрията няма лукса да се чака пълното разбиране на сложните системи, за които еволюцията е мечтала през последните четири милиарда години, преди да могат да бъдат използвани. Императивът за постигане на важни етапи и предоставяне на полезни, мащабируеми и в крайна сметка продаваеми продукти не оставя никаква възможност, освен да се намери най-прекият път към най-добрите и полезни резултати. Приемането на реалността на работа с непредсказуемост означава изграждане в повечето случаи предсказуеми системи, които могат да понасят многото неочаквани — но често полезни — поведения на природата. След като тези процеси са в сферата на повторяемостта, приета от традиционните изчислителни или производствени процеси, разграничението става по-малко важно.

- сложността на биологията е причина за смирение, но и за ентусиазъм. В биотехнологиите има възможност да се учат и дори да се използват процеси и способности, които никой никога не би могъл да измисли, камо ли да разбере напълно. Ние не сме измислили пилето например и със сигурност не разбираме всичките му работни части, какво се случва в ума му, когато го храним, или каква е веригата от събития, която превръща зърната в яйце, което може да произведе цяло ново пиле. Но те ни предлагат толкова много стойност, надеждно и в мащаб, че може да се считат за напреднали технологии. Въпросът дали редактирането на гени и кодирането на живи системи се равнява на „програмиране“, тогава е до голяма степен семантичен. Това също е второстепенно спрямо истинския въпрос: какво ще се прави с тези нови и непрекъснато подобряващи се способности? Опитвайки се да разберем фундаменталната работа на биологията, стига да намираме начини да подобрим качеството си на живот и здравето на планетата, не трябва да има значение каква дума използваме, за да я опишем.