Biotech mówi, że może zaprogramować życie na nowe rzeczy. Czy to prawda?

Ludzie uwielbiają mówić rzeczom, co mają robić. Wszystko, co możemy ustalić, przewidzieć i kontrolować – od komputerów po fabryki – możemy zaprogramować w celu uzyskania wiarygodnych, użytecznych wyników. Biotechnologia dojrzała do tego stopnia, że ​​naukowcy coraz częściej uważają żywe komórki za programowalne, choć nie wszyscy zgadzają się z używaniem tego terminu. Majsterkując i edytując swoje geny w celu stworzenia wszelkiego rodzaju przydatnych nowych produktów, cząsteczek, substancji chemicznych i materiałów na dużą skalę, liderzy w tej dziedzinie biologii syntetycznej obiecują zasadniczo zmienić sposób, w jaki tworzymy rzeczy, napędzany nowymi i pojawiającymi się technikami edycji DNA i pozornie nieograniczony potencjał produkcyjny biologii.

Firmy takie jak Zymergen, AmyrisAMRS
i Gingko Bioworks to tylko niektóre z firm propagujących tę koncepcję, która stała się podstawową zasadą wielu osób w biotechnologii. „Podstawową ideą biologii syntetycznej jest to, że biologię można zasadniczo programować, ponieważ działa na kodzie cyfrowym w postaci DNA” – mówi. powiedział Jason Kelly, dyrektor generalny Gingko Bioworks, na niedawnej konferencji. „Jeśli potrafisz czytać i pisać kod i masz maszynę, która go uruchomi – którą nazywamy komórką – to jest programowanie”.

Istoty żywe, od najprostszych komórek po złożone organizmy, zostały już uprzemysłowione. Oczywistym przykładem jest hodowla zwierząt lub drożdże wrzucane do gigantycznych kadzi, w których wytwarzają na ogromną skalę niezbędne substancje chemiczne, takie jak kwas cytrynowy. Ale co by było, gdyby geny tych drożdży można było edytować tak, aby zamiast tego wytwarzały na przykład cenny minerał lub cząsteczkę użyteczną farmaceutycznie? Co by było, gdyby można było ponownie zakodować komórki krowy, aby zapewnić stały dopływ czystego filetu mignon?

Wyobraźnia może szaleć pod wpływem tego pomysłu: wprowadzić do komórki odpowiednie instrukcje — lub miliardy — i wyprodukować nowe substancje chemiczne lub nietoksyczne barwniki, oczyścić wodę, zwiększyć wydajność bioreaktory, kto wie co jeszcze. Pomimo całej tej ekscytacji i obietnic, w miarę jak te idee i techniki stają się coraz bardziej powszechne i wyrafinowane, pojawia się również różnica zdań co do pytania: Czy możemy naprawdę twierdzić, że programuje życie jak oprogramowanie? Powinniśmy? I co to w ogóle oznacza?

Dla niektórych biologia programowania oferuje możliwość zapewnienia niezrównanej obfitości materialnej i ekonomicznej całej planecie, jednocześnie poprawiając naszą rolę jako zarządców statku kosmicznego Ziemia, dając nam mniej powodów do wydobywania paliw kopalnych lub wytwarzania trujących chemikaliów do produkcji rzeczy, których potrzebujemy i miłość. Inni postrzegają całe to pojęcie jako niewiele więcej niż błędną analogię, a nawet błędną charakterystykę przynoszącą efekt przeciwny do zamierzonego, która grozi traktowaniem życia jako czegoś znacznie mniej złożonego i tajemniczego, niż jest w rzeczywistości. Zmiana klimatu to tylko jeden z przykładów tego, jak takie podejście może nas sprowadzić na manowce. Jak to często bywa, wgląd można znaleźć w przestrzeniach pomiędzy tymi punktami widzenia.

„Czarna skrzynka” biologii

W najnowszej historii ludzie nauczyli się wiele na temat wewnętrznego funkcjonowania żywych komórek. Przemysł poszukuje obecnie innowacji, łącząc się bezpośrednio z tymi wewnętrznymi mechanizmami, stosując logikę obliczeniową za pomocą nowych, potężnych narzędzia takie jak CRISPR do edycji poszczególnych genów. Ludzka wiedza na temat żywych systemów, które otwierają przed nami te technologie, jest wciąż w powijakach, ale już są one wykorzystywane produktywnie. The Technologia mRNA na przykład wirus Covid-19 wzmacnia odporność poprzez bezpośrednie przepisywanie instrukcji komórek dotyczących produkcji białek. Jeśli to nie jest programowanie, to co is jest?

Kluczem do idei biologii programowania jest fakt, że żywe systemy działają w oparciu o kod, DNA, które zamiast jedynek i zer interpretujemy jako A, C, T i G. Jest to język, który ludzie potrafią czytać, a nawet uczą się pisać, ale nie potrafimy jeszcze robić tego płynnie. Przez analogię możemy pracować ze słowami i krótkimi frazami, ale nie pełnymi zdaniami, nie mówiąc już o akapitach czy rozdziałach. Zmiana tylko jednej litery w sekwencji genetycznej może dać wyniki dobre, złe lub niewykrywalne, a bardzo często wynik nie jest zgodny z logicznymi oczekiwaniami.

Prawie nic z tego nie dotyczy kodu komputerowego, który ludzie rozumieją na poziomie podstawowym, ponieważ, cóż, to my go wymyśliliśmy. Niektórzy twierdzą, że z tego powodu nigdy nie będziemy w stanie naprawdę zaprogramować biologii w znaczący sposób. Bez względu na to, jakie środki podejmiemy, aby to kontrolować, przypominają nam: „życie znajduje sposób” aby podważyć lub wyrwać się z budowanych wokół nich pudełek (nie zawsze z tak dramatycznym skutkiem jak Park Jurajski). W programowaniu cyfrowym przewidywalność jest kluczowa. Aplikacja arkusza kalkulacyjnego, która od czasu do czasu nieoczekiwanie zmienia wartość liczbową, jest mało przydatna. Jednak jedno, co możemy powiedzieć na temat życia na pewno, to to, że takie jest nie możliwy do przewidzenia. W rzeczywistości siłą napędową ewolucji jest nieprzewidywalność, a mutacje genetyczne przyczyniły się do powstania olśniewającej różnorodności życia na Ziemi.

Jednocześnie regularnie budujemy i wykorzystujemy złożone systemy o znacznie ograniczonej przewidywalności. Samoloty, systemy ruchu drogowego, sieci komputerowe – wszystko to składa się z tak wielu mniejszych, przewidywalnych części, że ich zachowanie jest przewidywalne tylko do pewnego momentu i zawsze są w stanie zrobić coś, czego nikt się nie spodziewa. Dla każdego, kto nie zna jego wewnętrznego działania, nawet doskonale skonstruowany komputer można nazwać „czarną skrzynką”: wiemy, co wchodzi i co wychodzi, nie rozumiejąc, co dzieje się w środku. Coś podobnego można powiedzieć o obecnym stosunku do biologii.

Logika rozmyta

Na szczęście dla biotechnologii droga do postępu może nie wymagać pełnego zrozumienia kodeksu życia. Głębszą wiedzę i umiejętności można osiągnąć poprzez ogarnięcie nieuniknione marginesy tajemnicy wynikające z pracy z żywymi systemami. Wprowadzanie do komórki nowego kodu genetycznego z oczekiwanym rezultatem, przy jednoczesnym otwarciu się na nieoczekiwane, można nazwać programowaniem, a może natchnieniem, zadaniem pytania samej naturze. Chociaż może to nie być tak niezawodne i wydajne jak tworzenie kodu programu komputerowego, zaletą jest to, że odpowiedzi są często zaskakujące, a czasami odnoszą się do pytań, które nawet nie zostały zadane. W ten sposób powstają innowacje, które w ekscytujący sposób odróżniają biologię od wszelkich innych „programowalnych” dziedzin.

W przemyśle nie ma luksusu czekania na pełne zrozumienie złożonych systemów, które ewolucja wypracowała w ciągu ostatnich czterech miliardów lat, zanim będzie można je zastosować. Konieczność osiągania kamieni milowych i dostarczania użytecznych, skalowalnych i ostatecznie możliwych do wprowadzenia na rynek produktów nie pozostawia innego wyjścia, jak tylko znaleźć najbardziej bezpośrednią ścieżkę do najlepszych i najbardziej użytecznych wyników. Zaakceptowanie rzeczywistości pracy z nieprzewidywalnością oznacza budowanie przeważnie przewidywalne systemy, które tolerują wiele nieoczekiwanych – ale często użytecznych – zachowań natury. Gdy procesy te znajdą się w zakresie powtarzalności akceptowanej w tradycyjnych procesach obliczeniowych lub produkcyjnych, rozróżnienie staje się mniej istotne.

Połączenia złożoność biologii jest powodem do pokory, ale i entuzjazmu. W biotechnologii istnieje szansa na naukę, a nawet wykorzystanie procesów i umiejętności, których nikt nie byłby w stanie wynaleźć, a co dopiero w pełni zrozumieć. Na przykład nie wynaleźliśmy kurczaka i z pewnością nie rozumiemy wszystkich jego części roboczych, tego, co dzieje się w jego umyśle, kiedy je karmimy, ani jaki jest łańcuch zdarzeń, który przekształca ziarno w jajo, z którego może wyprodukować całe jajo. nowy kurczak. Oferują nam jednak tak dużą wartość, niezawodnie i na dużą skalę, że równie dobrze można je uznać za zaawansowaną technologię. Pytanie, czy edycja i kodowanie genów żywych systemów jest zatem równoznaczne z „programowaniem”, jest zatem w dużej mierze semantyczne. Jest to także drugorzędne w stosunku do prawdziwego pytania: co zostanie zrobione z tymi nowymi i stale doskonalonymi umiejętnościami? Próbując zrozumieć podstawowe zasady biologii, o ile znajdziemy sposoby na poprawę jakości naszego życia i zdrowia planety, nie powinno mieć znaczenia, jakiego słowa użyjemy, aby to opisać.