Biotech sier at det kan programmere livet til å lage nye ting. Er det sant?

Mennesker elsker å fortelle ting hva de skal gjøre. Alt vi kan etablere, forutse og kontrollere – fra datamaskiner til fabrikker – kan vi programmere for å få pålitelige, nyttige resultater. Bioteknologi har modnet til et punkt hvor forskere i økende grad ser på levende celler som programmerbare, men ikke alle er enige i å bruke det begrepet. Ved å fikle med og redigere genene deres for å lage alle slags nyttige nye produkter, molekyler, kjemikalier og materialer i stor skala, lover ledere innen dette feltet av syntetisk biologi å fundamentalt gjenoppfinne måten vi lager ting på, drevet av nye og fremvoksende teknikker for redigering av DNA og biologiens tilsynelatende ubegrensede produktive potensial.

Selskaper som Zymergen, AmyrisAMRS
, og Gingko Bioworks er noen av dem som fremmer dette konseptet, som har blitt en grunnleggende læresetning blant mange innen bioteknologi. "Kjerneideen bak syntetisk biologi er at biologi er grunnleggende programmerbar, fordi den kjører på digital kode i form av DNA," sa Jason Kelly, administrerende direktør i Gingko Bioworks, i en nylig konferanse. "Hvis du kan lese og skrive kode, og du har en maskin som kjører den - som vi kaller en celle - så er det programmering."

Levende ting, fra de enkleste cellene helt opp til komplekse organismer, har allerede blitt industrialisert. Dyrelandbruk er et åpenbart eksempel, eller gjær, som kastes i gigantiske kar hvor de produserer essensielle kjemikalier som sitronsyre i store skalaer. Men hva om disse gjærgenene kunne redigeres slik at de i stedet produserte for eksempel et verdifullt mineral eller et farmasøytisk nyttig molekyl? Hva om cellene til en ku kunne omkodes for å produsere en konstant tilførsel av ren filet mignon?

Fantasien kan løpe løpsk med denne ideen: mat de riktige instruksjonene inn i en celle – eller milliarder av dem – og produsere nye kjemikalier eller ikke-giftige fargestoffer, rense vann, effektivisere bioreaktorer, hvem vet hva mer. Til tross for all spenningen og løftet, etter hvert som disse ideene og teknikkene blir mer utbredt og sofistikert, dukker det også opp uenighet om spørsmålet: Kan vi virkelig hevder å programmere liv som programvare? Skal vi? Og hva betyr det egentlig?

For noen gir programmeringsbiologi muligheten til å gi uovertruffen materiell og økonomisk overflod for hele planeten, samtidig som vi forbedrer vår rolle som forvaltere av romskipet Jorden, og gir oss færre grunner til å grave opp fossilt brensel eller produsere giftige kjemikalier for å produsere de tingene vi trenger. og kjærlighet. Andre ser hele forestillingen som lite mer enn en feilaktig analogi, til og med en kontraproduktiv feilkarakterisering som risikerer å behandle livet som noe mye mindre komplekst og mystisk enn det virkelig er. Klimaendringer er bare ett eksempel på hvordan slike holdninger kan føre oss på villspor. Som ofte er det mulig å finne innsikt i mellomrommene mellom disse synspunktene.

Biologiens 'svarte boks'

I nyere historie har mennesker lært mye om den indre funksjonen til levende celler. Industrien er nå ute etter å innovere ved å koble seg direkte til disse indre funksjonene, bruke beregningslogikken ved å bruke kraftige nye verktøy som CRISPR for å redigere individuelle gener. Menneskelig forståelse av de levende systemene som disse teknologiene låser opp for oss er fortsatt i sin spede begynnelse, men de blir allerede tatt i bruk produktivt. De mRNA-teknologi bak COVID-19, for eksempel, fremmer immunitet ved direkte å omskrive cellenes instruksjoner for å produsere proteiner. Hvis det ikke er programmering, hva is den?

Nøkkelen til ideen om programmering av biologi er det faktum at levende systemer kjører på kode, DNA, som vi i stedet for enere og nuller tolker som A-er, C-er, T-er og G-er. Det er et språk som mennesker kan lese og til og med lærer å skrive, men vi kan ennå ikke gjøre det flytende. Til analogi kan vi jobbe med ord og korte fraser, men ikke hele setninger, enn si avsnitt eller kapitler. Å endre bare én bokstav i en genetisk sekvens kan gi resultater som er gode, dårlige eller uoppdagelige, og veldig ofte følger ikke resultatet logiske forventninger.

Nesten ingenting av dette er sant for datakode, som mennesker forstår på et grunnleggende nivå fordi, vel, vi oppfant den. Noen hevder at vi av denne grunn aldri virkelig kan programmere biologi i en meningsfull forstand. Uansett hvilke tiltak vi tar for å kontrollere det, minner de oss på:livet finner en vei” for å undergrave eller bryte ut av boksene vi bygger rundt dem (ikke alltid med så dramatisk effekt som Jurassic Park). I digital programmering er forutsigbarhet nøkkelen. Det er lite bruk for en regneark-app som uventet endrer en tallverdi nå og da. En ting vi med sikkerhet kan si om livet er at det er det ikke forutsigbar. Faktisk er evolusjon drevet av uforutsigbarhet, genetisk mutasjon har bidratt med mye av det blendende mangfoldet av liv på jorden.

Samtidig bygger og bruker vi jevnlig komplekse systemer med betydelig begrenset forutsigbarhet. Fly, trafikksystemer, datanettverk, alle består av så mange mindre, forutsigbare deler at oppførselen deres bare er forutsigbar opp til et punkt, alltid i stand til å gjøre noe som ingen ser komme. For alle som ikke kjenner dens indre funksjoner, kan til og med en perfekt konstruert datamaskin kalles en 'svart boks': vi vet hva som går inn og hva som kommer ut, uten å forstå hva som skjer inni. Noe lignende kan sies om det nåværende forholdet til biologi.

Uklar logikk

Heldigvis for bioteknologi krever veien til fremgang kanskje ikke en fullstendig forståelse av livets kode. Dypere kunnskap og evner kan oppnås ved omfavner de uunngåelige mystikkmarginene som kommer fra arbeid med levende systemer. Å mate ny genetisk kode inn i en celle med et forventet resultat, samtidig som det er åpent for det uventede, kan kalles programmering, eller kanskje propping, å stille et spørsmål til naturen selv. Selv om dette kanskje ikke er like pålitelig eller effektivt som å utarbeide kode for et dataprogram, er fordelen at svarene ofte er overraskende, og noen ganger er de relatert til spørsmål som ikke en gang ble stilt. Det er slik innovasjon skjer, og det skiller biologi fra alle andre "programmerbare" domene på noen spennende måter.

I industrien er det ikke luksusen å vente på en full forståelse av de komplekse systemene som evolusjonen har drømt om de siste fire milliarder årene før de kan tas i bruk. Imperativet for å nå milepæler og levere nyttige, skalerbare og til slutt salgbare produkter gir ingen andre alternativer enn å finne den mest direkte veien til de beste og mest nyttige resultatene. Å akseptere realiteten med å jobbe med uforutsigbarhet betyr å bygge for det meste forutsigbare systemer som kan tolerere de mange uventede - men ofte nyttige - atferdene i naturen. Når disse prosessene er innenfor området for repeterbarhet akseptert av tradisjonelle beregnings- eller produksjonsprosesser, blir skillet mindre viktig.

De kompleksiteten til biologi er grunn til ydmykhet, men også entusiasme. Det er en mulighet innen bioteknologi til å lære og til og med utnytte prosesser og evner som ingen aldri kunne finne på, enn si fullt ut forstå. Vi oppfant ikke kyllingen, for eksempel, og forstår absolutt ikke alle dens arbeidende deler, hva som foregår i tankene når vi mater dem, eller hvilken hendelseskjede som omdanner korn til et egg som kan produsere en hel ny kylling. Men de tilbyr oss så mye verdi, pålitelig og i stor skala, at de like gjerne kan betraktes som avansert teknologi. Spørsmålet om hvorvidt genredigering og koding av levende systemer utgjør "programmering", er altså i stor grad semantisk. Det er også sekundært til det virkelige spørsmålet: hva vil bli gjort med disse nye og stadig bedre evnene? Når vi prøver å forstå biologiens grunnleggende virkemåte, så lenge vi finner måter å forbedre livskvaliteten vår og helsen til planeten på, bør det egentlig ikke spille noen rolle hvilket ord vi bruker for å beskrive det.