Biotech säger att det kan programmera livet för att göra nya grejer. Är det sant?

Människor älskar att berätta för saker vad de ska göra. Allt vi kan etablera, förutsäga och kontrollera – från datorer till fabriker – kan vi programmera för att få tillförlitliga, användbara resultat. Biotekniken har mognat till den punkt där forskare i allt högre grad betraktar levande celler som programmerbara, men inte alla håller med om att använda den termen. Genom att mixtra med och redigera sina gener för att skapa alla typer av användbara nya produkter, molekyler, kemikalier och material i stor skala, lovar ledare inom detta område av syntetisk biologi att i grunden återuppfinna sättet vi gör saker på, drivet av nya och framväxande tekniker för att redigera DNA och biologins till synes obegränsade produktiva potential.

Företag som Zymergen, AmyrisAMRS
, och Gingko Bioworks är några av dem som främjar detta koncept, som har blivit en grundläggande grundsats bland många inom bioteknik. "Kärnidén bakom syntetisk biologi är att biologi är i grunden programmerbar, eftersom den körs på digital kod i form av DNA," sa Jason Kelly, Gingko Bioworks VD, i en nyligen genomförd konferens. "Om du kan läsa och skriva kod, och du har en maskin som kör den - som vi kallar en cell - så är det programmering."

Levande varelser, från de enklaste cellerna ända upp till komplexa organismer, har redan industrialiserats. Djurjordbruk är ett uppenbart exempel, eller jästsvampar, som slängs i gigantiska kar där de producerar viktiga kemikalier som citronsyra i stor skala. Men tänk om dessa jästgener kunde redigeras så att de istället producerade till exempel ett dyrbart mineral eller en farmaceutiskt användbar molekyl? Tänk om cellerna i en ko kunde omkodas för att producera en konstant tillförsel av ren filet mignon?

Fantasin kan flöda med den här idén: mata in rätt instruktioner i en cell – eller miljarder av dem – och producera nya kemikalier eller giftfria färgämnen, rena vatten, effektivisera bioreaktorer, vem vet vad mer. Trots all spänning och löfte, när dessa idéer och tekniker blir mer utbredda och sofistikerade, uppstår också oenighet om frågan: Kan vi verkligen göra anspråk på att programmera livet som mjukvara? Bör vi? Och vad betyder det ens?

För vissa erbjuder programmeringsbiologi möjligheten att tillhandahålla oöverträffat material och ekonomiskt överflöd för hela planeten, samtidigt som vi förbättrar vår roll som förvaltare av rymdskeppet Jorden, vilket ger oss färre skäl att gräva upp fossila bränslen eller producera giftiga kemikalier för att tillverka de saker vi behöver. och kärlek. Andra ser hela föreställningen som lite mer än en felaktig analogi, till och med en kontraproduktiv felkarakterisering som riskerar att behandla livet som något mycket mindre komplext och mystiskt än det verkligen är. Klimatförändringarna är bara ett exempel på hur sådana attityder kan leda oss vilse. Som ofta kan man finna insikt i mellanrummen mellan dessa synvinklar.

Biologins "svarta låda".

Under senare tid har människor lärt sig mycket om hur levande celler fungerar. Industrin strävar nu efter att förnya sig genom att interagera med dessa inre funktioner direkt, tillämpa beräkningslogiken genom att använda kraftfulla nya verktyg som CRISPR för att redigera enskilda gener. Mänsklig förståelse för de levande system som dessa teknologier låser upp för oss är fortfarande i sin linda, men de har redan börjat användas produktivt. De mRNA-teknik bakom covid-19, till exempel, främjar immunitet genom att direkt skriva om cellers instruktioner för att producera proteiner. Om det inte är programmering, vad is det?

Nyckeln till idén med programmeringsbiologi är det faktum att levande system körs på kod, DNA, som snarare än ettor och nollor vi tolkar som A, C, T och G. Det är ett språk som människor kan läsa och till och med lär sig att skriva, men vi kan ännu inte göra det flytande. Som analogi kan vi arbeta med ord och korta fraser, men inte hela meningar, än mindre stycken eller kapitel. Att bara ändra en bokstav i en genetisk sekvens kan ge resultat som är bra, dåliga eller omöjliga att upptäcka, och mycket ofta följer resultatet inte logiska förväntningar.

Nästan inget av detta är sant för datorkod, som människor förstår på en grundläggande nivå eftersom, ja, vi uppfann den. Vissa hävdar att vi av denna anledning aldrig verkligen kan programmera biologi i en meningsfull mening. Oavsett vilka åtgärder vi vidtar för att kontrollera det, påminner de oss om, "livet hittar en väg” att undergräva eller bryta ut ur lådorna vi bygger runt dem (inte alltid med så dramatisk effekt som Jurassic Park). Inom digital programmering är förutsägbarhet nyckeln. Det är liten användning för en kalkylbladsapp som oväntat ändrar ett siffervärde då och då. Ändå är en sak vi säkert kan säga om livet att det är det inte förutsägbar. Faktum är att evolutionen drivs av oförutsägbarhet, genetisk mutation har bidragit till mycket av den bländande mångfalden av liv på jorden.

Samtidigt bygger och använder vi regelbundet komplexa system med avsevärt begränsad förutsägbarhet. Flygplan, trafiksystem, datornätverk, alla består av så många mindre, förutsägbara delar att deras beteende bara är förutsägbart upp till en viss punkt, alltid kapabelt att göra något som ingen ser komma. För alla som inte känner till dess inre funktioner kan även en perfekt konstruerad dator kallas en "svart låda": vi vet vad som går in och vad som kommer ut, utan att förstå vad som händer inuti. Något liknande skulle kunna sägas om det nuvarande förhållandet till biologi.

Fuzzy Logic

Lyckligtvis för bioteknik kräver vägen till framsteg kanske inte ett fullständigt grepp om livets kod. Djupare kunskaper och förmågor kan uppnås genom fattande de oundvikliga marginalerna av mystik som kommer från att arbeta med levande system. Att mata in ny genetisk kod i en cell med ett förväntat resultat, samtidigt som man är öppen för det oväntade, skulle kunna kallas programmering, eller kanske propping, ställa en fråga till naturen själv. Även om detta kanske inte är lika tillförlitligt eller effektivt som att utarbeta kod för ett datorprogram, är fördelen att svaren ofta är överraskande och ibland relaterar till frågor som inte ens ställdes. Det är så innovation sker, och det skiljer biologi från alla andra "programmerbara" domäner på några spännande sätt.

Inom industrin finns det inte lyxen att vänta på ett fullt grepp om de komplexa system som evolutionen har drömt om under de senaste fyra miljarderna åren innan de kan tas i bruk. Kravet att nå milstolpar och leverera användbara, skalbara och i slutändan säljbara produkter lämnar inget annat alternativ än att hitta den mest direkta vägen till de bästa och mest användbara resultaten. Att acceptera verkligheten att arbeta med oförutsägbarhet innebär att bygga för det mesta förutsägbara system som kan tolerera naturens många oväntade – men ofta användbara – beteenden. När väl dessa processer är inom området för repeterbarhet som accepteras av traditionella beräknings- eller tillverkningsprocesser, blir distinktionen mindre viktig.

Smakämnen biologins komplexitet är anledning till ödmjukhet, men också entusiasm. Det finns en möjlighet inom biotekniken att lära sig och till och med utnyttja processer och förmågor som ingen aldrig skulle kunna uppfinna, än mindre förstå till fullo. Vi uppfann inte kycklingen, till exempel, och förstår verkligen inte alla dess arbetsdelar, vad som händer i dess sinne när vi matar dem, eller vilken händelsekedja som omvandlar spannmål till ett ägg som kan producera en hel ny kyckling. Men de erbjuder oss så mycket värde, tillförlitligt och i stor skala, att de lika gärna kan anses vara avancerad teknik. Frågan om huruvida genredigering och kodning av levande system uppgår till "programmering" är alltså till stor del semantisk. Det är också sekundärt till den verkliga frågan: vad kommer att göras med dessa nya och ständigt förbättrade förmågor? När vi försöker förstå biologins grundläggande funktioner, så länge vi hittar sätt att förbättra vår livskvalitet och planetens hälsa, borde det egentligen inte spela någon roll vilket ord vi använder för att beskriva det.