Biotech ütleb, et see võib programmeerida elu uute asjade tegemiseks. Kas see on tõsi?

Inimestele meeldib asjadele öelda, mida teha. Kõik, mida saame luua, ennustada ja juhtida – arvutitest tehasteni – saame programmeerida usaldusväärsete ja kasulike tulemuste saamiseks. Biotehnoloogia on arenenud nii kaugele, et teadlased peavad elusrakke üha enam programmeeritavateks, kuid mitte kõik ei nõustu selle mõiste kasutamisega. Nende geenide kallal nokitsedes ja redigeerides, et luua igasuguseid kasulikke uusi tooteid, molekule, kemikaale ja materjale, lubavad selle sünteetilise bioloogia valdkonna liidrid põhjalikult uuesti leiutada viisi, kuidas me asju valmistame, mida juhivad uued ja esilekerkivad DNA redigeerimise tehnikad. ja bioloogia näiliselt piiramatu produktiivne potentsiaal.

Sellised ettevõtted nagu Zymergen, AmyrisAMRS
, ja Gingko Bioworks on mõned neist, kes edendavad seda kontseptsiooni, millest on saanud paljude biotehnoloogia põhiteema. "Sünteetilise bioloogia põhiidee on see, et bioloogia on põhimõtteliselt programmeeritav, kuna see töötab DNA kujul digitaalsel koodil." ütles Jason Kelly, Gingko Bioworksi tegevjuht hiljutisel konverentsil. "Kui saate koodi lugeda ja kirjutada ning teil on masin, mis seda käivitab - mida me kutsume rakuks -, see on programmeerimine."

Elusolendeid, alates kõige lihtsamatest rakkudest kuni keerukate organismideni, on juba tööstuslikult arendatud. Loomakasvatus on ilmselge näide ehk pärmid, mis visatakse hiiglaslikesse vaatidesse, kus nad toodavad tohutul hulgal olulisi kemikaale, nagu sidrunhape. Aga mis siis, kui neid pärmseente geene saaks redigeerida nii, et nad annaksid näiteks väärtuslikku mineraali või farmatseutiliselt kasulikku molekuli? Mis siis, kui lehma rakud saaks ümber kodeerida, et toota pidevat puhast filee-mignoni?

Selle ideega võib kujutlusvõime lennata: sisestage rakku õiged juhised – või miljardeid neist – ja tootke uusi kemikaale või mittetoksilisi värvaineid, puhastage vett, muutke tõhusamaks. bioreaktorid, kes teab mida veel. Vaatamata põnevusele ja lubadustele, kuna need ideed ja tehnikad muutuvad laiemaks ja keerukamaks, tekib lahkarvamusi ka küsimuses: kas me suudame tõesti väidavad, et programmi elu nagu tarkvara? Kas peaksime? Ja mida see üldse tähendab?

Mõne jaoks pakub programmeerimisbioloogia võimalust pakkuda kogu planeedile võrratut materiaalset ja majanduslikku küllust, parandades samal ajal meie rolli kosmoselaeva Maa korrapidajana, andes meile vähem põhjust kaevata välja fossiilkütuseid või toota mürgiseid kemikaale, et toota vajalikke asju. ja armastus. Teised peavad kogu seda mõistet vaid vigaseks analoogiaks, isegi ebaproduktiivseks valeks iseloomustamiseks, mis ohustab elu käsitlemist millegi palju vähem keeruka ja salapärasena, kui see tegelikult on. Kliimamuutused on vaid üks näide sellest, kuidas sellised hoiakud võivad meid eksiteele viia. Nagu sageli juhtub, võib nende vaatepunktide vahelistest ruumidest leida arusaama.

Bioloogia "must kast".

Lähiajaloos on inimesed elusrakkude sisemise toimimise kohta palju õppinud. Tööstus otsib nüüd uuendusi, liidestades nende sisemiste töödega otse, rakendades arvutusloogikat, kasutades võimsaid uusi tööriistad nagu CRISPR üksikute geenide redigeerimiseks. Inimeste arusaam elussüsteemidest, mida need tehnoloogiad meile avavad, on alles lapsekingades, kuid neid hakatakse juba tootlikult kasutama. The mRNA tehnoloogia COVID-19 taga, näiteks tugevdab immuunsust, kirjutades otseselt ümber rakkude juhised valkude tootmiseks. Kui see pole programmeerimine, mis siis is see?

Programmeerimisbioloogia idee võtmeks on tõsiasi, et elussüsteemid töötavad koodil, DNA-l, mida me tõlgendame A-de, C-de, T-de ja G-dena, mitte ühtede ja nullidena. See on keel, mida inimesed oskavad lugeda ja isegi õpivad kirjutama, kuid me ei saa seda veel vabalt teha. Analoogia põhjal saame töötada sõnade ja lühikeste fraasidega, kuid mitte täislausetega, rääkimata lõikudest või peatükkidest. Vaid ühe tähe muutmine geneetilises järjestuses võib anda tulemusi, mis on head, halvad või tuvastamatud ning väga sageli ei vasta tulemus loogilistele ootustele.

Peaaegu mitte midagi sellest ei kehti arvutikoodi kohta, mida inimesed mõistavad põhimõtteliselt, sest noh, me leiutasime selle. Mõned väidavad, et sel põhjusel ei saa me kunagi bioloogiat sisulises mõttes tõeliselt programmeerida. Ükskõik, milliseid meetmeid me selle kontrollimiseks võtame, tuletavad nad meile meelde:elu leiab tee” õõnestada või välja murda kastid, mille me nende ümber ehitame (mitte alati nii dramaatiliselt kui Jurassic Park). Digitaalses programmeerimises on ennustatavus võtmetähtsusega. Arvutustabelirakendusest, mis aeg-ajalt ootamatult numbriväärtust muudab, on vähe kasu. Kuid üks asi, mida võime elu kohta kindlalt öelda, on see, et see on nii mitte etteaimatav. Tegelikult juhib evolutsiooni ettearvamatus, geneetilised mutatsioonid on kaasa aidanud suure osa Maal elava elu mitmekesisusest.

Samal ajal ehitame ja kasutame regulaarselt keerukaid süsteeme, mille prognoositavus on oluliselt piiratud. Lennukid, liiklussüsteemid, arvutivõrgud – kõik koosnevad nii paljudest väiksematest etteaimatavatest osadest, et nende käitumine on etteaimatav vaid teatud punktini, mis on alati võimelised tegema midagi, mida keegi ei näe tulemas. Igaüks, kes ei tea selle sisemist tööd, võib isegi täiuslikult ehitatud arvutit nimetada "mustaks kastiks": me teame, mis läheb sisse ja mis väljub, ilma et mõistaksime, mis sees toimub. Midagi sarnast võiks öelda ka praeguse suhte kohta bioloogiaga.

Hägune loogika

Biotehnoloogia õnneks ei pruugi progressi tee nõuda elukoodi täielikku mõistmist. Sügavamad teadmised ja võimed on saavutatavad omaks paratamatuid müsteeriumipiire, mis tulenevad elavate süsteemidega töötamisest. Uue geneetilise koodi söötmist rakku oodatud tulemusega, olles samas avatud ka ootamatustele, võiks nimetada programmeerimiseks või võib-olla turgutamiseks, mis esitab küsimuse loodusele endale. Kuigi see ei pruugi olla nii usaldusväärne ega tõhus kui arvutiprogrammi koodi koostamine, on positiivne külg see, et vastused on sageli üllatavad ja on mõnikord seotud küsimustega, mida isegi ei küsitud. Nii toimub innovatsioon ja see eristab bioloogiat mõnel põneval moel kõigist teistest "programmeeritavatest" valdkondadest.

Tööstuses ei ole luksust oodata, kuni evolutsioon on viimase nelja miljardi aasta jooksul unistanud keerulistest süsteemidest, enne kui need kasutusele võetakse. Tähtis jõuda verstapostidesse ja tarnida kasulikke, skaleeritavaid ja lõpuks turustatavaid tooteid, ei jää muud võimalust, kui leida kõige otsem tee parimate ja kasulikumate tulemusteni. Ettearvamatusega töötamise tegelikkuse aktsepteerimine tähendab ehitamist enamasti prognoositavad süsteemid, mis taluvad paljusid ootamatuid, kuid sageli kasulikke looduse käitumisviise. Kui need protsessid jäävad traditsiooniliste arvutus- või tootmisprotsesside poolt aktsepteeritava korratavuse valdkonda, muutub eristamine vähem oluliseks.

. bioloogia keerukus on alandlikkuse, aga ka entusiasmi põhjus. Biotehnoloogias on võimalus õppida ja isegi rakendada protsesse ja võimeid, mida keegi ei suutnud kunagi välja mõelda, rääkimata täielikust mõistmisest. Me ei leiutanud näiteks kana ja kindlasti ei saa me aru kõigist selle töötavatest osadest, sellest, mis toimub selle peas, kui me neid söödame, ega sündmuste ahelat, mis muudab terad munaks, millest saab terve muna. uus kana. Kuid need pakuvad meile nii palju väärtust, usaldusväärselt ja ulatuslikult, et neid võib sama hästi pidada arenenud tehnoloogiaks. Küsimus, kas geenide redigeerimine ja elussüsteemide kodeerimine võrdub "programmeerimisega", on seega suuresti semantiline. See on ka teisejärguline tegeliku küsimuse suhtes: mida nende uute ja üha paranevate võimetega peale hakatakse? Püüdes mõista bioloogia põhilisi toiminguid, ei tohiks nii kaua, kuni me leiame viise oma elukvaliteedi ja planeedi tervise parandamiseks, vahet, mis sõna me seda kirjeldame.