Во второй половине прошлого века произошла технологическая революция — люди научились программировать поведение электронов в кремние. А теперь мы на пороге новой революции: программирование биологических материалов. И, вполне вероятно, что революция по своим масштабам переплюнет компьютерную революцию!
Биопрограммирование – внесение контролируемых изменений в биологические структуры. Почему оно может стать революцией?
- Биологическое программирование изменит медицину. В перспективе будут созданы новые виды терапии, способы восстановления повреждённых клеток.
- Изменится сельское хозяйство. Например, представьте себе растения, которые смогут самостоятельно противостоять разным видам вредных грибков.
- Энергетика. Возможно будут созданы синтетические растительные клетки с улучшенной возможностью поглощения солнечного света и преобразованием в энергию.
- Возможно будет создана целая операционная система, основанную на биохимических процессах.
- Изменится и сам человек. Представьте программируемый иммунитет, который более эффективно выявляет, искореняет или даже предотвращает заболевания.
Человек пока ещё только на пороге революции. Но уже сейчас существуют инструменты, которые делают биопрограммирование реальностью: ученые умеют вносить изменения в генетический код, синтезируют работающие цепи ДНК, могут вносить изменения в геном. Но как это эффективно применять?
Ещё пока много нерешённых вопросов, которые требуют дополнительную экспертизу и новые эксперименты. Запрограммировать организм гораздо труднее, чем запрограммировать машину. Жизненные системы — саморегулируемы, самоорганизуются, управляются на молекулярном уровне. Процессы на уровне молекул приводят к вполне себе макро-результатам.
Можно ли изменить тип клетки?
Вы, вероятно, хотя бы раз слышали про стволовые клетки. Они могут стать чем угодно: клеткой сердца, лёгкого или даже мозга, так что их условно можно назвать «исходными». Вопрос в том, как принимается решение стать тем или иным типом клетки? И как в принципе принимаются решения на клеточном уровне? Понимание того, как работают биологические вычисления, даёт лучшее понимание того, как в принципе работают клетки.
Около 13 лет назад ученые показали нечто революционное: они выяснили, что если вставить всего несколько генов во взрослую клетку, например одну из клеток вашей кожи, вы можете преобразовать эту клетку обратно в «исходное» состояние. Так значит всё просто — можно взять образец любых клеток человека, преобразовать в «исходное», а затем создать любую нужную ткань? Звучит, конечно, просто, но на самом деле здесь множество камней преткновения. Если удалось превратить стволовую клетку в клетку сердца, то ещё не факт, что удастся превратить её в клетку мозга.
В игру вступают информатика с математикой
У любой компьютерной программы есть стратегии решения задач. Когда программист пишет код программы, естественно он хочет, чтоб код работал правильно, был производительным и функциональным. К программе он добавляет спецификацию, где поясняет, что должна делать программа и каким образом. В биологии также. У клеток есть некая «спецификация». А вот как работает эта спецификация, по какой логике — задача учёных. И, кажется, у них есть первые результаты.
Учёные проводили эксперименты на стволовых клетках, записывали наблюдения, а результаты фиксировали как математические выражения. На основе этих данных они создали программу, которая объясняла бы и предсказывала поведение клеток. Потом учёные поменяли подход: сначала программа прогнозировала как поведёт себя клетка, а затем они проводили эксперимент. Сгенерированные прогнозы оказались очень близки к результатам эксперимента!
Таким образом учёные выяснили, как можно ускорить процесс возвращения клетки к «исходному», состоянию, какие гены затрагиваются в процессе и не только. Да и динамика того, что делают клетки, стала гораздо понятнее.
Да, в эксперименте речь идёт о стволовых клетках. Но метод применим не только к ним. Скорее, это позволяет в принципе понять вычисления, выполняемые клеткой в контексте генетических взаимодействий. Так что на самом деле, это один из шагов к пониманию биологических алгоритмов.
Это и есть революция?
До полноценной революции, конечно, ещё далеко. Нужны ещё понять как работают биологические вычисления на разных уровнях — от ДНК до обмена информацией между клетками. Пока не созданы новые инструменты программирования. Нужна среда, которая позволит проектировать биологическую функцию, компилироваться в машинный код клетки, ее биохимию, для дальнейшего построения структуры. Нечто вроде живого программного компилятора.
В Microsoft есть команда, которая работает над его разработкой. Задача у них поистине грандиозная!
Источник: Ted Talks
Подписывайся на наш канал в Дзен и Telegram, если понравилась эта статья!