Перапісванне кнігі рэцэптаў прыроды: як біякансервы гінкго гатовы засмуціць практычна кожную галіну, пра якую вы можаце думаць.

Ginkgo Bioworks, якая базуецца ў Бостане, у апошні час з'явілася ў загалоўках:

  • Гінкго "прынясе біядызайн на масы". (Хуткая кампанія.)
  • Гінкго "пераканае вас любіць ГМА". (Атлантык.)
  • Гінкго - "ДНК-мянты", якія дапамагаюць "спыніць стварэнне новага класа біялагічнай зброі". (Блумберг.)
  • Гінкго "вынаходзіць закон Мура". (Forbes.)

Што ўсё гэта значыць? Як адна кампанія можа зрабіць усё гэта?

Нядаўна я пагаварыў з сузаснавальнікамі Ginkgo Bioworks Томам Найцем і Джэйсанам Келі пра будучыню вытворчасці і пра тое, як сакрэты біялогіі стануць сакрэтамі разблакіроўкі чарговай прамысловай рэвалюцыі.

Бінкавары Ginkgo - гэта не толькі біялагічная кампанія - яны збіраюць інструкцыі па ўжыванні для ўсяго свету прыроды

Tl: dr: Біялогія - гэта нанатэхналогіі.

Названы ў гонар дрэва Гінкго, Ginkgo Bioworks спрабуе наблізіць прамысловую эфектыўнасць да біялогіі і біялагічную эфектыўнасць для прамысловасці, пераасэнсаваўшы, як зроблена амаль усё.

Шлях сузаснавальніка Тома Найта ад камп'ютэрнага абсталявання да малекулярнай біялогіі - гэта легенда і мае вырашальнае значэнне для разумення гісторыі Гінкго. Найт пачаў займацца дзесяцігоддзямі прыналежнасці да MIT, калі яшчэ вучыўся ў сярэдняй школе, калі праходзіў некалькі першых у гісторыі класаў камп'ютэрнага праграмавання і праводзіў лета ў нараджальнай тады лабараторыі штучнага інтэлекту. У канчатковым рахунку ён скончыў ступень доктара навук MIT на факультэце MIT, дзе ён працаваў над ARPANET - вельмі ранняй версіяй Інтэрнэту - і стварыў стартапы для камерцыялізацыі сваіх вынаходстваў камп'ютэрнага абсталявання. Адна з кампаній, якую ён сузаснаваў - Symbolics - атрымала першае зарэгістраванае даменнае імя .com і ў выніку стала адкрытым.

Падчас выкладання курса праектавання інтэгральнай схемы, Найт кінуў выклік сваім студэнтам прадказаць канец закона Мура - прынцып дзеяння, які вылічаецца ў два разы прыблізна раз у два гады. Найт убачыў, што канец гэтага тэмпу паляпшэння быў вельмі блізкі, і задаўся пытаннем: "Што далей? Што вы робіце з тым, што асноўная тэхналогія, якая ляжыць у аснове высокапрадукцыйных вылічэнняў, падыходзіць да канца? ""

Ён пачаў шукаць адказ і знайшоў яго ў малекулярнай біялогіі. У 50 гадоў, з доктарам навук і дзесяцігоддзямі працы на вышэйшых узроўнях камп'ютэрнай тэхнікі, ён вярнуўся ў школу, пачынаючы з класа малекулярнай біялогіі на ўзроўні другога курса. У рэшце рэшт ён заснаваў лабараторыю малекулярнай біялогіі ў аддзеле інфарматыкі ў Масачусецкім тэхналагічным інстытуце і пачаў правяраць сваю гіпотэзу вакол выкарыстання біялогіі для вырашэння праблем, якія ён раней разглядаў з выкарыстаннем крэмнія.

Кажуць, што неабходнасць - гэта вынаходніцтва, і Найт сутыкнуўся з неабходнасцю: правесці свае эксперыменты над рэдагаванымі генамі бактэрыямі (пра гэта крыху пазней), ён спачатку спатрэбіўся, каб стварыць бактэрыі. Гэта працаёмкая, паўтаральная праца, і яго інжынерны мозг стварыў эпіфанію: павінна было быць інжынернае рашэнне для стварэння бактэрый, якія рэдагавалі ген, маштабуецца і эфектыўна. Па сутнасці, ягоная эпіфанія ўказала на крытычнае пытанне: што аддзяляе бія- і генную інжынерыю ад фізічнай інжынерыі? Што становіцца магчымым, калі мы думаем пра іх аднолькавым чынам?

Рыцарскія і інжынерныя экспертызы рыцараў, якія прымяняюцца да адносна новага навучання ў галіне малекулярнай біялогіі, прывялі да крытычнага разумення: прымяненне інжынернага мыслення да працэсу адкрыцця - што дасць магчымасць больш хуткаму і прадказальнаму інжынернаму геному - прынясе прамысловую мікрабіялогію ў новы маштаб.

Сіла бактэрый

Гінкго арыентуецца на бактэрыі. Аказваецца, калі вы дасце гэтым малюсенькім пракарыётам правільныя ўказанні, яны могуць зрабіць практычна ўсё, што можа біялогія.

"Калі мы думаем пра ўсё, што нам трэба ў прамысловасці - назапашванне энергіі, ператварэнне электронаў у хімічныя рэчывы і г.д. - аказваецца, ёсць шмат бактэрый, якія ўжо вырашылі гэтыя праблемы", - сказаў мне Найт.

Пачнем з пачатку: усё, што зроблена ў біялагічным свеце, адпавядае пэўнаму рэцэпту, як інструкцыя па ўжыванні. Пептыд A плюс бялок B плюс фасфаліпід C плюс нуклеінавая кіслата D і вуаля, у вас арганізм (як расліна), бялок (як керацін, ключавая структура, якая ўваходзіць у нашы валасы і знешні пласт нашай скуры), альбо хімічны механізм абароны (як кафеін, які такім чынам расліны робяць сябе непрывабным для насякомых, але таксама ўзмацняе наша пазнанне).

Стварэнне інструкцый па ўжыванні бактэрый - іх тысячы, распрацаваныя хуткай інжынерыяй і распрацоўваннем прататыпаў пасля пакалення бактэрый, якія рэдагуюць ген - гэта эфектыўны, эканамічна эфектыўны і маштабаваны працэс вырабу біялагічнага матэрыялу. Гэта матывуе бачанне гінкго. Том, Джэйсан і іх каманда хочуць быць своеасаблівым фоксанам па біялогіі, здольным вырабляць практычна ўсё ў свеце танна, хутка і ў сусветным маштабе.

Найт прапанаваў адкрытую для сябе аналогію: карыснасць інжынерных біялагічных малекул "вельмі шмат у чым падобная на некаторыя асноўныя матывы тэхналогіі, такія як крэмній, у свеце паўправаднікоў. У вас ёсць базавая тэхналогія, у выпадку з крэмніем магчымасць распрацоўкі, ўзор і паўправадніковыя прыборы харчавання, вельмі складаныя. Гэта дадатак з'яўляецца агностычным для прыкладання: вы можаце выкарыстоўваць яго для вырабу мікрапрацэсараў ці для аўтамабіляў. З яго можна зрабіць тэлевізары. Вы можаце рабіць айфоны. "

"Адзін з рэчаў, якія мы зарабляем на Ginkgo, - гэта агульнасць платформы", - дадаў Кэлі, "Мы ствараем біялагічныя малекулы без канкрэтнага прымянення на ўвазе, ведаючы, што мы будзем выкарыстоўваць гэтую тэхналогію ў цэлым. розныя галіны ", растлумачыў Кэлі.

Абагульненая платформа Ginkgo дапаможа біялогіі зрабіць тое, што зрабіла лабараторыя для вытворчасці паўправаднікоў: адкрыць шлях аўтаматызаванай тэхналагічнай вытворчасці.

"Увогуле, вы можаце ўзяць біялогію, прыдатную да сельскагаспадарчых жывёл, і прымяніць яе да раслін. Вы можаце скарыстацца той жа тэхналогіяй, якая ўжываецца для заварвання піва і вырабляць з ім антыцелы ", растлумачыла Кэлі," таму што ўсе яны працуюць на адной аперацыйнай сістэме - ДНК ".

А як жа ўсе гэтыя загалоўкі? Будучыня вытворчасці? Біядызайн? Бія зброя? ДНК-мянты? Усё ад бактэрый?

Гэта дакладна, усё ад бактэрый, якія працуюць у адпаведнасці з вузкаспецыялізаванымі інструкцыямі, распрацаванымі ў маштабе па мадэлі, унікальнай для Ginkgo, якая прымяняе тэхналагічны інжынерны падыход да гэтай задачы. Больш пра мадэль крыху, але спачатку Найт і Кэлі правялі некалькі прыкладаў таго, што адбываецца.

Прыклад № 1: Парк Юрскага перыяду, Трохі Папараць Гулі, Трохі Шанель №5

Ці задумваліся вы, якія кветкі пахлі ў крэйдзе? Куплялі б вы папараць, раздушаны пад нагамі падчас кембры?

Выкарыстоўваючы ўзоры з Гарвардскага гербарыя, Гінкго спадзяецца стварыць новыя водары для парфумераў. Вымаючы ДНК з кветак, якія вымерлі на працягу сотняў гадоў, кадзіраваўшы гэтую ДНК бактэрыямі і вырошчваючы яе ў дрожджах, яны лічаць, што яны могуць прынесці на рынак водары, якія ніколі не пахлі жывымі людзьмі.

Адной з галоўных пераваг пераходу вытворчасці ў бактэрыі з'яўляецца хуткасць. Што ў прамысловасці - гэта тое ж самае, што і кошт. Каб вырасціць пакаленні раслін, спатрэбяцца месяцы і нават гады, у той час як пакаленні бактэрый могуць вырабляцца менш чым за 30 хвілін.

Нават калі вы не адчуваеце пахаў эпохі віктарыянскай эпохі, здольнасць вырабляць пах з дапамогай генетычных маніпуляцый з бактэрыямі мае важныя разгадкі. Без яго, калі парфумер хоча набыць малекулу водару, яны павінны залежаць ад фермераў, каб сабраць усю расліну. На ўнцыю Шанэль № 5 патрабуецца больш за тысячу кветак. Экстрапалюйце, што кожны прадукт у кожнай галіны залежыць ад водараў - ад ружовай вады да мыйнага сродкі і ласьёнаў, і так, парфума - і гэта шмат ўраджаю. Спадзявацца на цэлыя расліны па малекулах водару - марнатраўна і экалагічна дорага, і, давайце паглядзім, гучыць так 20-е стагоддзе, ці не так?

Гінкго хоча ўваскрасіць старажытныя расліны для рэдкіх духаў. На 1 унцыю Шанэль патрабуецца каля 1012 кветак!

"Часам гэтыя культуры не працуюць па нейкіх прычынах на працягу пэўнага года. І таму, калі вы парфумер і залежаце ад ураджаю, гэта можа стаць сур'ёзнай праблемай ", - сказаў Найт.

Але калі вы возьмеце інструкцыю па ўжыванні духмянага хімічнага рэчыва, пагрузіце яго ў бактэрыі і надрукуйце любы заказ хімічнага рэчыва - старажытнага, сучаснага, а можа і зусім новага - па патрабаванні, вы проста зрабілі рэвалюцыю ў мільярд долараў і пазбавілі патрэбы ў водная і касмічная цяга культур.

Прыклад № 2: мы можам зрабіць усе расліны ў расліны для самааддачы

Давайце падумаем большага. Захаванне-наша планета большая.

Адзін з вядучых праектаў Ginkgo, Joyn Bio, - гэта сумеснае прадпрыемства з Bayer, каб распрацаваць новы клас бактэрый, якія фіксуюць азот, якія будуць звязвацца з каранямі кукурузы і пшаніцы і значна зніжаць іх патрэбу ў угнаенні.

Ідэя складаецца ў тым, каб перадаць навыкі мікраарганізмаў ад аднаго віду (скажам, соі, якая можа трапляць уласны азот з дапамогай бактэрый, якія жывуць у іх каранях), да іншага віду раслін (пшаніцы і кукурузы, якія не могуць улавіць азот), перакладанне інструкцыі з аднаго віду на іншы.

Калі гэта будзе працаваць, кукуруза і пшаніца неўзабаве змогуць апладніць сябе і папоўніць глебу, што значна зніжае колькасць энергіі, неабходнай для выкіду парніковых газаў, каб забяспечыць харчаванне ў свеце.

Прыклад № 3: Бія бяспека адпавядае нацыянальнай бяспецы

У якасці пабочнага эфекту як буйнога дызайнера ДНК у свеце, Гінкго мае вялікую ўнутраную базу распрацаваных ДНК, якая дае ім бібліятэку паслядоўнасцей для параўнання любой новай невядомай паслядоўнасці ў клетках, арганізме, вірусе ці ўзбуджальніку. У рамках групы ў партнёрстве з IARPA, Гінкго спадзяецца, што зможа адказаць на пытанні пра які-небудзь новы арганізм ці ланцужок ДНК, які можа ўзнікнуць урад ці сектар аховы здароўя, у тым ліку, ці можа ён быць патагенным (гэта значыць выклікае хваробу), незалежна ад таго гэта не "зробленае чалавекам" ці не, гэта можа быць небяспечна нейкім іншым спосабам.

Прыклад № 4: Фантастычны паход у цела можа рэвалюваць лекі

Тая ж самая ідэя - падмяняючы інструкцыі па эксплуатацыі - за вытворчасцю ўласных або старажытных водараў і мадыфікаваных глебавых мікробаў таксама можа прымяняцца да вырабу лекаў. Гінкго ў партнёрстве з Synlogic вывучае, як бактэрыі кішачніка могуць мадуляваць парушэнні як цела, так і розуму. Як і праект Joyn Bio, гэта інжынерныя мікробы, якія жывуць з раслінамі, гэта і інжынерныя мікробы, якія жывуць у кішачніку. Гінкго ў адзін цудоўны дзень зможа ператварыць нашы кішачныя бактэрыі ў фармацэўтычныя фабрыкі - здольныя раздрукоўваць любы прэпарат, танна, па патрабаванні, знутры цела.

"Мы маглі б зрабіць гэта, зноў жа, скапіяваўшы тое, што можна было б здабыць з завода, і перанесці гэты вытворчы патэнцыял у дрожджы ці бактэрыі", - сказаў Найт.

Інжынер па закісанні Ginkgo Bioworks Kar Mun Neoh працуе ў Bioworks2. Малюнак: Ginkgo Bioworks

Розніца гінкго

Магчымасці выдатныя. Гэтак жа самая мадэль Гінкго, якая пераўтварае патэнцыял у рэальнасць. Гэта карысна зразумець, чым яны адрозніваюцца ад звычайнай біятэхналагічнай кампаніі.

Працэс галіновага стандарту ідзе так: па-першае, падпішы кантракт на стварэнне канкрэтнага злучэння для пэўнай мэты. Затым найміце армію малекулярных біёлагаў і размясціце іх у лабараторных лавах, дзе яны распрацоўваюць і правяраюць генетычныя шляху. Калі вы нанялі сапраўды добрых малекулярных біёлагаў, яны маглі б дастаткова хутка спраектаваць, сабраць і пратэставаць паўтара дзясятка шляхоў, каб знайсці адзін ці два, якія працуюць з пэўнай мэтай, на якую яны палявалі.

Дзякуючы інжынернаму мысленню Тома і Джэйсана Гінкго ператварае гэты працэс у галаву. Гінкго дзейнічае значна больш, як у крамянёвым свеце - яны разглядаюць біялогію як вынікова-агностычную тэхналогію, а не як тактыку абмежаванай мэты.

Такім чынам, у любы момант каманды гінкго працуюць над дзясяткамі праектаў, вырабляючы шляхі і арганізмы, якія могуць прымяняцца да любой мэты канкрэтных мэтаў. Памятаеце, наколькі крэмній з'яўляецца агностычным, няхай гэта будзе харчаванне айфона ці аўтамабіля? Гэтаксама. Базавая платформа бактэрый, якая праінструктавана незлічонымі спосабамі, настолькі агрэсіўная, наколькі гэта сілкаванне лекамі ці водарамі, альбо карані, якія фіксуюць азот? Вось як у гінкго ёсць такая велізарная бібліятэка ДНК, якую я апісаў у прыкладзе № 3. Гэта фабрыка бактэрый.

Калі Гінкго атрымлівае новы праект, ім не трэба наймаць каманду кандыдатаў навук, каб яны сядзелі за партамі. Замест гэтага яны ствараюць унутраную каманду, якая займаецца заводам, каб хутка праектаваць шляхі, рабіць рэдагаванне генаў, прымяняць яго да пакаленняў бактэрый ці дрожджаў, а таксама правяраць і аналізаваць іх. Калі распрацаваныя арганізмы вырабляюць шуканае ім злучэнне, яны перакладаюцца ў аб'ект, які вырабляе іх у маштабе. Калі няма, яны могуць хутка паўтарыць працэс.

"Такім чынам, на гэтым шляху ёсць мноства каманд, якія не з'яўляюцца праектнымі, а хутчэй тэхналагічнымі, сапраўды гэтак жа, як у паўфабрыкатах, дзе ёсць людзі, якія добра ствараюць маскі, а потым людзі, якія добра выпякаюць крамянёвыя пласціны, а потым яшчэ адзін набор людзей, якія добра разрэзаць іх і расфасаваць ", - адзначыў Найт.

Кэлі дадаў: "Цяпер заўважыце, што каманда на кожным этапе вытворчасці добрая ў тым, за што яны нясуць адказнасць, і гэта не мае значэння, вырабляюць Ці крэмній для аўтамабіля ці мабільнага тэлефона. Паслядоўнасць спраў, якія будуць зробленыя, дакладна такая ж, незалежна ад таго, што канчатковы прадукт. "

Каманда Ginkgo зрабіла біяінжынірынг "сапраўдным інжынірынгам" - так, як спадзяваўся Том.

Гінкго праектуе будучыню

Я папрасіў Найта падумаць пра маленькую навуковую фантастыку. Якой будзе будучыня, калі будзе весці біякампанію Ginkgo?

Найт уявіў сабе рост у галіне прадказальнай біялогіі, дзе праекты могуць быць яшчэ больш эфектыўнымі, імітуючы, ці будуць працаваць розныя інструкцыі па эксплуатацыі, у якіх арганізмах і калі.

Што мы можам сабе ўявіць па-за ўласных целаў, якія друкуюць патрэбныя нам лекі, расліны для самаапладнення альбо ўваскрашаючыя водары? Дызайнерскія дрэвы, чые структурныя чарцяжы былі перапраграмаваны, каб перарасці ў фігуры дома, а не ў зрубы? (Я знаходжуся ў хаце. Я хачу жыць у гіганцкім дрэве.) Дарогі, зробленыя з самастойна гаючага бетону ?? Амаль усе хімічныя рэчывы і энергія ў свеце вырабляюцца ў велізарных, экалагічна чыстых, ціхіх і чыстых бункерах у цэнтры Амерыкі?

Як адзначыў Найт, "задаваць пытанне аб тым, што чакае сінтэтычная біялогія, гэта як папрасіць Бардзіна, вынаходніка транзістара," калі ласка, прагназуйце айфоны "ў 1948 годзе. Вы не можаце прадказаць гэтага. Вы можаце здагадвацца, што важна сёння, але мы не маем паняцця пра будучыню ".

Іншымі словамі, неба ... і зямля, і мора, і чалавецтва ... па сутнасці, свет - гэта мяжа.