Biotech sanoo, että se voi ohjelmoida elämän luomaan uutta. Onko se totta?

Ihmiset rakastavat kertoa asioista, mitä tehdä. Kaikki mitä voimme määrittää, ennustaa ja hallita – tietokoneista tehtaisiin – voimme ohjelmoida saamaan luotettavia ja hyödyllisiä tuloksia. Bioteknologia on kypsynyt siihen pisteeseen, että tiedemiehet pitävät eläviä soluja yhä enemmän ohjelmoitavina, mutta kaikki eivät hyväksy tämän termin käyttöä. Käsittelemällä ja muokkaamalla heidän geenejään luodakseen kaikenlaisia ​​hyödyllisiä uusia tuotteita, molekyylejä, kemikaaleja ja materiaaleja laajassa mittakaavassa, tämän synteettisen biologian alan johtajat lupaavat keksiä pohjimmiltaan uudelleen tapamme tehdä asioita uusien ja nousevien DNA-muokkaustekniikoiden ohjaamana. ja biologian näennäisesti rajattomat tuotantomahdollisuudet.

Yritykset, kuten Zymergen, AmyrisAMRS
, ja Gingko Bioworks ovat joitain niitä, jotka edistävät tätä konseptia, josta on tullut monien biotekniikan perusperiaate. "Synteettisen biologian ydinajatus on, että biologia on pohjimmiltaan ohjelmoitavissa, koska se toimii digitaalisella koodilla DNA:n muodossa." sanoi Jason Kelly, Gingko Bioworksin toimitusjohtaja äskettäisessä konferenssissa. "Jos osaat lukea ja kirjoittaa koodia ja sinulla on kone, joka käyttää sitä - jota kutsumme soluksi - se on ohjelmointia."

Eläviä olentoja yksinkertaisimmista soluista monimutkaisiin organismeihin on jo teollistettu. Eläinviljely on ilmeinen esimerkki tai hiivat, jotka heitetään jättimäisiin astioihin, joissa ne tuottavat suurissa määrin välttämättömiä kemikaaleja, kuten sitruunahappoa. Mutta entä jos noiden hiivojen geenejä voitaisiin muokata niin, että ne sen sijaan tuottaisivat esimerkiksi arvokkaan mineraalin tai farmaseuttisesti käyttökelpoisen molekyylin? Entä jos lehmän solut voitaisiin koodata uudelleen tuottamaan jatkuvaa puhdasta filee-mignonia?

Mielikuvitus voi valloilleen tämän idean kanssa: syötä oikeat ohjeet soluun – tai miljardeja niitä – ja valmista uusia kemikaaleja tai myrkyttömiä väriaineita, puhdista vettä, tehosta bioreaktorit, kuka tietää mitä muuta. Kaikesta jännityksestä ja lupauksesta huolimatta, kun nämä ideat ja tekniikat yleistyvät ja kehittyvät, erimielisyyttä syntyy myös kysymyksestä: voimmeko ihan oikeesti väittävät olevansa ohjelmiston kaltaisia? Pitäisikö meidän? Ja mitä se edes tarkoittaa?

Joillekin ohjelmointibiologia tarjoaa mahdollisuuden tarjota vertaansa vailla olevaa materiaalista ja taloudellista yltäkylläisyyttä koko planeetalle ja samalla parantaa rooliamme avaruusalus Earthin valvojina, mikä antaa meille vähemmän syytä kaivaa fossiilisia polttoaineita tai tuottaa myrkyllisiä kemikaaleja tarvitsemiemme asioiden valmistamiseksi. ja rakkaus. Toiset näkevät koko käsityksen hieman enemmän kuin virheellisenä analogiana, jopa haitallisena virheellisenä luonnehdinnana, joka uhkaa kohdella elämää paljon vähemmän monimutkaisena ja salaperäisempänä kuin se todellisuudessa on. Ilmastonmuutos on vain yksi esimerkki siitä, kuinka tällaiset asenteet voivat johtaa meidät harhaan. Kuten usein, näkemys löytyy näiden näkökulmien välisistä tiloista.

Biologian "musta laatikko".

Lähihistoriassa ihmiset ovat oppineet paljon elävien solujen sisäisestä toiminnasta. Teollisuus pyrkii nyt innovoimaan liittymällä suoraan näihin sisäisiin toimintoihin ja soveltamalla laskennan logiikkaa käyttämällä tehokkaita uusia työkaluja, kuten CRISPR muokata yksittäisiä geenejä. Ihmisten ymmärrys elävistä systeemeistä, joita nämä tekniikat avaavat meille, on vielä lapsenkengissään, mutta niitä otetaan jo tuottavaan käyttöön. The mRNA-tekniikka COVID-19:n takana esimerkiksi edistää immuniteettia kirjoittamalla suoraan solujen ohjeet proteiinien tuotantoon. Jos se ei ole ohjelmointia, mitä is se?

Ohjelmointibiologian idean avain on se tosiasia, että elävät järjestelmät toimivat koodilla, DNA:lla, jonka ykkösten ja nollien sijaan tulkitsemme A:ksi, C:ksi, T:ksi ja G:ksi. Se on kieli, jota ihmiset osaavat lukea ja jopa opettelevat kirjoittamaan, mutta emme voi vielä tehdä sitä sujuvasti. Analogisesti voimme työskennellä sanojen ja lyhyiden lauseiden kanssa, mutta emme kokonaisten lauseiden kanssa, puhumattakaan kappaleista tai luvuista. Vain yhden kirjaimen muuttaminen geneettisessä sekvenssissä voi tuottaa tuloksia, jotka ovat hyviä, huonoja tai havaitsemattomia, ja hyvin usein tulos ei noudata loogisia odotuksia.

Lähes mikään näistä ei päde tietokonekoodiin, jonka ihmiset ymmärtävät perustasolla, koska no, me keksimme sen. Jotkut väittävät, että tästä syystä emme voi koskaan todella ohjelmoida biologiaa merkityksellisessä mielessä. Riippumatta siitä, mitä toimenpiteitä teemme sen hallitsemiseksi, he muistuttavat meitä, "elämä löytää tien” heikentää tai murtautua niiden ympärille rakentamistamme laatikoista (ei aina niin dramaattisesti kuin Jurassic Park). Digitaalisessa ohjelmoinnissa ennustettavuus on avainasemassa. Ei ole juurikaan hyötyä laskentataulukkosovelluksesta, joka muuttaa odottamatta numeroarvoa silloin tällöin. Silti yksi asia, jonka voimme sanoa elämästä varmasti, on, että se on emme ennustettavissa. Itse asiassa evoluutio perustuu arvaamattomuuteen, ja geneettiset mutaatiot ovat vaikuttaneet suurelta osin maapallon häikäisevän elämän monimuotoisuuteen.

Samalla rakennamme ja käytämme säännöllisesti monimutkaisia ​​järjestelmiä, joiden ennustettavuus on merkittävästi rajoitettu. Lentokoneet, liikennejärjestelmät, tietokoneverkot, kaikki koostuvat niin monista pienemmistä, ennustettavissa olevista osista, että niiden käyttäytyminen on ennustettavissa vain tiettyyn pisteeseen asti, ja ne pystyvät aina tekemään jotain, mitä kukaan ei näe tulevan. Jokaiselle, joka ei tunne sen sisäistä toimintaa, jopa täydellisesti rakennettua tietokonetta voidaan kutsua "mustaksi laatikoksi": tiedämme, mikä menee sisään ja mikä tulee ulos, ymmärtämättä, mitä sisällä tapahtuu. Jotain samanlaista voitaisiin sanoa nykyisestä suhteesta biologiaan.

Sumea logiikka

Onneksi biotekniikan tie edistymiseen ei välttämättä vaadi täydellistä käsitystä elämän koodista. Syvempiä tietoja ja kykyjä voidaan saavuttaa syleilee väistämättömät mysteerimarginaalit, jotka syntyvät elävien järjestelmien kanssa työskentelemisestä. Uuden geneettisen koodin syöttämistä soluun odotetuilla tuloksilla, samalla kun se on avoin odottamattomille, voitaisiin kutsua ohjelmoimiseksi, tai kenties tönäisyksi, joka asettaa kysymyksen luonnolle itselleen. Vaikka tämä ei ehkä ole yhtä luotettavaa tai tehokasta kuin koodin laatiminen tietokoneohjelmalle, kääntöpuolena on, että vastaukset ovat usein yllättäviä ja liittyvät joskus kysymyksiin, joita ei edes kysytty. Näin innovaatiot tapahtuvat, ja se erottaa biologian kaikista muista "ohjelmoivista" alueista jollain jännittävällä tavalla.

Teollisuudessa ei ole ylellisyyttä odottaa täyttä käsitystä monimutkaisista järjestelmistä, joista evoluutio on haaveillut viimeisten neljän miljardin vuoden aikana, ennen kuin ne voidaan ottaa käyttöön. Tarve saavuttaa virstanpylväitä ja toimittaa hyödyllisiä, skaalautuvia ja lopulta markkinoitavia tuotteita ei jätä muuta vaihtoehtoa kuin löytää suorin polku parhaisiin ja hyödyllisimpiin tuloksiin. Ennalta-arvaamattomalla työskentelyn todellisuuden hyväksyminen tarkoittaa rakentamista enimmäkseen ennustettavat järjestelmät, jotka voivat sietää monia odottamattomia - mutta usein hyödyllisiä - luonnon käyttäytymismalleja. Kun nämä prosessit ovat perinteisten laskenta- tai valmistusprosessien hyväksymän toistettavuuden rajoissa, erottelusta tulee vähemmän tärkeä.

- biologian monimutkaisuus on syy nöyryyteen, mutta myös innostukseen. Bioteknologiassa on mahdollisuus oppia ja jopa valjastaa prosesseja ja kykyjä, joita kukaan ei voi koskaan keksiä, saati täysin ymmärtää. Emme keksineet esimerkiksi kanaa, emmekä tietenkään ymmärrä kaikkia sen työosia, mitä sen mielessä liikkuu kun ruokimme niitä tai mikä on tapahtumaketju, joka muuttaa jyvät munaksi, joka voi tuottaa kokonaisen uutta kanaa. Mutta ne tarjoavat meille niin paljon arvoa, luotettavasti ja mittakaavassa, että niitä voidaan yhtä hyvin pitää edistyneenä teknologiana. Kysymys siitä, onko geenien muokkaaminen ja elävien järjestelmien koodaaminen "ohjelmointia", on siis suurelta osin semanttinen. Se on myös toissijaista todelliseen kysymykseen: mitä näille uusille ja jatkuvasti kehittyville kyvyille tehdään? Yritetään ymmärtää biologian perustoimintaa, niin kauan kuin löydämme tapoja parantaa elämänlaatuamme ja planeetan terveyttä, sillä ei pitäisi olla väliä millä sanalla kuvaamme sitä.