Область синтетической биологии в основном занимается изучением того, как программировать жизнь.
Это спорная технология отчасти потому, что наши знания неполны. Не мы создали жизнь. Наоборот — и мануала нет. Прогресс, которого мы достигли на сегодняшний день, основан на наших коллективных усилиях по обратному проектированию того, как работают живые клетки, включая генетический код, который управляет всем.
Я всегда видел аналогии между программированием жизни и программированием компьютеров. Клетки — это процессоры общего назначения, а ДНК — это программное обеспечение. Конечно, есть огромные различия. Ячейки вычисляют атомы, а не биты. Это фабрики, способные производить всё, от отдельных белков до большего количества клеток, и всё из повседневных элементов, в основном из углерода. Они могут чувствовать и адаптироваться. Общаться.
В своих презентациях я люблю сравнивать эволюцию синбио и электронных вычислений. Я лично был свидетелем того и другого на протяжении своей жизни и карьеры, хотя и пропустил первые дни электронной промышленности.
Для меня выделяется одно большое отличие: каждое достижение компьютерных технологий требует огромных инвестиций в исследования и разработки по всей цепочке поставок полупроводников. (Более подробную информацию по этой теме можно найти в книге Криса Миллера Война чипов.) Это требует времени, усилий и уймы денег. Сегодня строительство нового завода по производству микросхем (фабрики) может стоить 10 миллиардов долларов и более.
Между тем, все клетки — растительные, животные или микробы — имеют только три основных процесса: репликацию своих генетических инструкций на основе ДНК, транскрипцию (создание рабочей копии в РНК) и трансляцию, которая производит белковые компоненты жизни. Все они используют одну и ту же «операционную систему» — стандартизированные инструкции, закодированные в ДНК. Все многообразие, которое мы видим в живых существах? Это результат программного обеспечения, а не оборудования. Еще более примечательно то, что генетический код бактерии будет работать в клетке растения или животного, и наоборот, несмотря на миллиарды лет биологической эволюции, разделяющей эти существа.
Вот что важно понять:
Когда мы начнем программировать жизнь с помощью синтетической биологии, скорость создания продуктов, будь то новые белки или новые организмы, будет ограничена нашей способностью писать и запускать генетический код.
Написание генетического кода уже во многом похоже на написание компьютерного программного обеспечения — работу, которая дополняется инструментами генеративного искусственного интеллекта. Оказывается, большие языковые модели (LLM) могут научиться понимать ДНК и белок так же легко, как английский или китайский. Уже можно поручить этим инструментам создавать новые белки для конкретной задачи.
Запуск генетического кода означает перевод любой цифровой ДНК, созданной с помощью программных инструментов, в молекулярную форму, которую используют клетки для работы, а затем фактическую доставку ее в клетку — по сути, компиляцию и загрузку.
Компиляция обычно включает в себя процессы синтеза и сборки ДНК, которые сегодня широко доступны, но все еще обременительны для всего, что требует более нескольких тысяч оснований кода ДНК.
Загрузка также может быть сложной задачей, в зависимости от организма. Иногда проще использовать бесклеточную систему, в которой механизм генерации белка в клетке восстанавливается в пробирке. Просто добавьте ДНК и вперед.
Так чего же нам ожидать в ближайшие несколько лет? Одним словом: ускорение.
Инструменты искусственного интеллекта быстро совершенствуются. Я думаю, что все начинают это понимать. Но компиляция ДНК также может получить новый импульс, точно так же, как секвенирование ДНК произошло с коммерциализацией секвенаторов «следующего поколения».
Насколько быстро это быстро? Бактерии E. coli, существу, имеющему форму хот-дога шириной всего в несколько микрометров и длиной в несколько микрометров, требуется около 15 минут, чтобы написать почти идеальную копию своих 4,5 миллионов оснований ДНК. Я не вижу причин, по которым технология компилятора ДНК не может сравниться или превзойти эту производительность. И дальше ситуация будет только улучшаться.
Что еще мы можем ожидать увидеть в ближайшие 10–20 лет, если синбио будет следовать историческим тенденциям развития компьютеров? Что ж, я предполагаю, что мы увидим большую миниатюризацию этих технологий от коробок, которые стоят на лабораторных столах, до чипсетов, появление более децентрализованных «облачных» лабораторий и быстрорастущее онлайн-сообщество биологических разработчиков, которые смогут работать где угодно и на более высоких скоростях. приложений, чем мы можем себе представить.
Помните, как стремительно рос App Store? Биологический App Store может расти еще быстрее.
Я считаю, что нам нужны эти новаторы и биологические продукты, которые они создают, чтобы человечество могло расти и процветать. Мы подвергаем природные системы стрессу из-за быстрого роста населения и деятельности. Synbio обещает переломить эту тенденцию, позволив нам выращивать больше того, что нам нужно, от продуктов питания до лекарств и систем опреснения. Плюс, конечно, лучшие диагностические тесты и лекарства. Устойчивость к антибиотикам имеет большое значение. В последний раз, когда я проверял, мы все еще не победили рак. И есть бесчисленное множество других условий, которые необходимо решить. Да, даже стареет.
Но наш опыт работы с компьютерными системами также подсказывает нам, что взломы и эксплойты тоже обязательно будут иметь место, потому что, ну, в общем, люди. Мы на десятилетия опоздали с применением основного урока десятилетий кибербезопасности и киберзащиты: все, что можно использовать, будет использовано, иногда ради смеха, но обычно ради денег.
Все, что можно эксплуатировать, будет эксплуатировать, иногда ради смеха, но обычно ради денег.
Нам необходимо догонять, учитывая, что некоторые из худших токсинов и вирусов, о которых мы знаем, уже находятся в пределах технической досягаемости сегодняшних относительно грубых инструментов. И синбио будет двигаться быстро и исследовать ниши, выходящие за рамки ограничений природных систем. Все может стать странным.
Covid показал, насколько сложно противостоять новому циркулирующему вирусу. Тем не менее, пандемия не стала достаточно большим потрясением для нашей цивилизации, чтобы существенно изменить наше поведение. Наша нормативно-правовая база застряла в ХХ веке, ее тормозят геополитика и экономическое соперничество. Прямо сейчас это благодатная почва для случайных сбоев и преднамеренного неправильного использования. Нам необходимо правильно расставить приоритеты, потому что на карту поставлено так много. Вполне возможно, что для их реализации вполне могут потребоваться подходы снизу вверх, подобные тем, которые отстаивает зарождающееся сообщество DeSci.
Готова она или нет, синтетическая биология находится на грани переопределения нашего мира, потенциально опередив даже цифровую революцию. Это инновационный грузовой поезд, и не заблуждайтесь, тормоза выключены. Настало время объединить наши коллективные усилия ради более безопасного и конструктивного будущего. Давайте не отставать; давайте вместе проложим новый курс.
Эндрю Хессель — соавтор книги Машина Бытия: наше стремление переписать жизнь в эпоху синтетической биологии. Он также является соучредителем Humane Genomics, компании, которая производит искусственные вирусы, нацеленные на рак, и Genome Project-write, лидера в области полногеномной инженерии. Он любит думать о возможном будущем через призму биологии и сопереживает молекулам и микробам.
