Думаючы па-за межамі эвалюцыйнага скрыні: як Арцэда аднаўляе вавёркі, будаўнічыя блокі жыцця

Гэты артыкул з'яўляецца часткай серыі пра тое, як кампаніі OS OS (OSF) радыкальна пераглядае наша будучыню, перапісваючы жыццё на аперацыйныя сістэмы. Ці, як мы аддаем перавагу думаць пра гэта: Крок 1: Пакладзіце ўвагнутасць ва Сусвет. І крок 2: Перапішыце Сусвет. Вы можаце ўбачыць поўную калекцыю АСФ тут і прачытаць больш пра стварэнне біялагічнай імуннай сістэмы.

Абдумваючы будучыню, я люблю ўяўляць, як будзе думаць наша паўсядзённае жыццё сёння. Што сёння ўяўляецца нам навуковай фантастыкай, але "будзе нармальным" праз 50 гадоў? Якія неэфектыўныя і нахабныя рэчы мы робім сёння, каб будучыя пакаленні азіраліся і смяяліся?

Бачыць за межамі магчымасці рэдкае майстэрства. Магчымасць праектавання і будаўніцтва за межамі магчымасці яшчэ больш рэдкая. У сукупнасці гэта ўнікальны набор навыкаў і здольнасцей, якія маюць усе заснавальнікі АСФ. Самае галоўнае, што яны вырашылі засяродзіць свае здольнасці на вырашэнні самых вялікіх праблем, з якімі сутыкаецца чалавецтва.

Але хто яны? Што прымушае іх галадаць? Чаму гэта супраць іншых? І як іх тэхналогіі могуць змяніць свет? Нядаўна я пазнаёміўся, каб даведацца крыху больш пра кампаніі, у якія я інвестую. Гэта іх гісторыі.

I. Уводзіны: Рэдкія вавёркі, якія вартыя іх золата

Я хацеў бы пачаць з невялікай віктарыны. Вазьміце гэтыя пяць фактаў:

1. Адзіны няўрадавы самалёт, які ляцеў у ЗША праз дзень пасля 11 верасня 2001 г., адправіўся з Сан-Дыега ў Фларыду.

2. Донар крыві "Залаты руку" ў Аўстраліі выратаваў прыблізна 2,4 мільёна жыццяў.

3. Навукоўцы нядаўна вылавілі акіяны для старажытных бактэрый.

4. Медыкі па ЗША караскаліся ў рэанімацыі, бо пачалося лета, таксама вядомае як "сезон траўмаў".

5. Вірусолагі ўводзяць курыныя яйкі з вірусам, як яны робяць кожны год на кропку.

Пытанне: Што агульнага з гэтымі геркулесамі?

A: Неба і зямля перамяшчаюцца для таго, каб знайсці, захапіць ці паўтарыць адно і адзінае ва ўсіх пяці гэтых сцэнарыях: Рэдкія вавёркі. Усё, каб атрымаць патрэбны бялок у патрэбным месцы ў патрэбны час.

1. Самалёт вылецеў у пустое неба пасля 11 верасня, таму што ў Фларыдзе ўкусіў апрацоўшчык змяй і хутка паміраў. Адзіная добрая вакцына была ў Каліфорніі, таму ФАА дазволіла маленькім прыватным самалётам праляцець усю краіну, каб выратаваць чалавеку жыццё. Вавёрка.

2. У Аўстраліі хлопец "Залатой Арлі" мае ў сваім крыві унікальны бялок, якога амаль ніхто іншы не мае, і які неабходны для лячэння пэўнага медыцынскага стану, таму ён здае столькі крыві, колькі зможа. Вавёрка.

3. Малекулярныя біёлагі, якія шукаюць новыя віды фотасінтэзу, могуць тэарэтычна спраектаваць іх у лабараторыях, але сёння гэта настолькі складана, што больш сэнсу проста «выкрасці» высокаразвітыя і спецыялізаваныя бялкі з мокрай лабараторыі прыроды - акіяна. Такім чынам навукоўцы вылазяць акіяны сеткамі. Вавёрка.

4. У бальніцах па ўсёй краіне недахоп некаторых лекаў з-за «вытворчых праблем» у аднаго з асноўных пастаўшчыкоў фармацэўтычных прэпаратаў. Што з імі ўзнікае з праблемамі, якія сучасная хімія не можа стаць дасканалай? Вавёрка.

5. А тыя курыныя яйкі? Яны - гэта адзін з самых распаўсюджаных спосабаў зрабіць вакцыну супраць сезоннага грыпу, таму што нічога, што мы можам зрабіць у лабараторыі, не можа імітаваць энергію і багатую бялком навакольнае асяроддзе добрага яйка. Вавёрка.

Мой пункт гледжання?

Усе гэтыя намаганні - час, грошы - будуць выглядаць вар'яцка рэтраспектыўна, калі кампанія, якую я нядаўна ўклаў, Arzeda, скажа сваё слова.

Шмат якія сучасныя медыцынскія працэсы - хіміётэрапія, вытворчасць вакцын, здача крыві - будуць выглядаць гэтак жа будучым пакаленням, як п'яўкі, кровапусканне, лобатамія і трэфінацыя.

Нядаўна я сеў з сузаснавальнікам Arzeda Аляксандрам Зангхеліні, які растлумачыў свет, дзе рак можа быць арыентаваны на заказ лячэння, дзе расліны больш эфектыўныя і дзе выраб можна рабіць практычна без адходаў у любым пункце свету.

Мне здаецца, што наша здольнасць да вылічальнай распрацоўкі новых бялкоў будзе не менш важная, як і ДНК-інжынер.

I. Arzeda спадзяецца зрабіць для біялогіі тое, што зрабіў Гутэнберг для паперы: Вынаходніцтва друкарні

Tl; dr: Мы можам распрацаваць новыя вавёркі, якія ніколі не паўстануць у эвалюцыйным працэсе, нават калі б эвалюцыі даваліся ідэальныя ўмовы і бясконцы час.

Мы ўсе ведаем, што ДНК асаблівая, таму што невялікія адрозненні ў ДНК - гэта адрозненні паміж усімі намі. Вялікія адрозненні - гэта адрозненні паміж відамі.

Але нас на самай справе не адрознівае ДНК, гэта ДНК - вавёркі. (І не, я не кажу пра парашок, які вы змяшчаеце ў смузи, а пра самыя простыя малекулы, якія ўваходзяць у кожную клетку ў жывых арганізмах. Практычна ўсё арганічнае і біялагічнае складаецца з бялкоў. Кожная клетка, кожны вірус, кожны чалавек. Вавёркі.)

Усё, што жыве, будзь то раслінныя ці чалавечыя, кіруе гэтымі маленькімі наномашинами. Калі б у нас былі лепшыя, больш эфектыўныя вавёркі, каб зрабіць для нас біялагічную працу ў такіх галінах, як сельская гаспадарка, медыцына і вытворчасць, некаторыя невырашальныя праблемы, якія пагражаюць нашай будучыні, раптам становяцца вырашальнымі.

Праца сузаснавальніка Arzeda Аляксандра Зангхеліні і яго каманды выклікае змену парадыгмы ў спосабе стварэння і вырошчвання бялкоў. Замест таго, каб спадзявацца на натуральны адбор і сэрэндытызм, Arzeda перапісвае аперацыйную сістэму сінтэзу бялку, пытаючыся: Як мы можам зрабіць вавёркі больш эфектыўнымі, чым калі-небудзь магчыма за кошт эвалюцыі?

"Тое, што мы прыносім, заключаецца ў тым, што пры дапамозе вылічальнай канструкцыі вам не трэба выкарыстоўваць рыбалоўную сетку, каб знайсці вавёркі ў першую чаргу", - сказаў Зангэліні.

Утварэнне новага бялку ў прыродзе адбываецца павольна: мутацыі ўзнікаюць на працягу некалькіх пакаленняў, што прыносіць карысць арганізму, і таму ён распаўсюджваецца ў наступныя пакаленні.

"Магчымасць распрацоўкі бялкоў і змяненне іх па сваім жаданні можа паўплываць на кожны жывы арганізм. Гэта азначае, што мы можам зрабіць лепшыя расліны, якія дапамагаюць нам вырашыць глабальнае пацяпленне і палепшыць вытворчасць прадуктаў харчавання. Мы можам зрабіць лепшыя метады лячэння, якія значна больш канкрэтныя і з улікам. І мы можам таксама ператварыць вытворчасць, таму што амаль усё, што мы робім, ускосна, у канчатковым выніку, зроблена з біялогіі ", - сказаў мне Зангхеліні.

Выкарыстоўваючы новыя алгарытмы распрацоўкі бялку і масіўную вылічальную магутнасць, Arzeda можа распрацоўваць новыя вавёркі з функцыямі, якія не развіваюцца ў прыродзе, напрыклад, прадстаўленую тут. Ён каталізуе (паскарае каля 1 мільярда разоў) адну з самых фундаментальных рэакцый сінтэтычнай хіміі, і гэта адбываецца ў вадзе і пакаёвай тэмпературы, без выкарыстання таксічных растваральнікаў і сумесных прадуктаў.

Кампанія звычайна праводзіць месяцы ці нават гады, праглядаючы далёкія куткі зямлі, ад Арктыкі да Амазонкі, збіраючы тысячы узораў жывёл і раслін, культывуючы іх, правяраючы магчымых кандыдатаў, падвяргаючы лепшыя стаўкі выпадковым мутацыям, а потым правяраючы некаторыя больш. Гэта было сучаснае мастацтва ў 20-м стагоддзі, проста глядзеў і спадзяваўся.

Старыя метадалогіі вельмі рызыкоўныя з пункту гледжання інвестыцый. Яны патрабавалі дзясяткаў людзей, якія працуюць кругласутачна, што прывяло да 98% фальшывых станоўчых вынікаў і ў цэлым былі неверагодна дарагімі.

"Біялогія і нават сінтэтычная біялогія сёння па-ранейшаму выкарыстоўвае падыход ранніх людзей, і гэта:" Я проста пайду вакол і выбяру ўсё, што можа прапанаваць прырода, і вярнуся, каб даведацца, ці змагу я зрабіць што-небудзь, што працуе. ' Але прагрэс прыходзіць, калі мы выразаем уласныя інструменты. Мы не патрапілі туды, дзе мы, проста выкарыстоўваючы інструменты і камяні, якія мы знайшлі ў прыродзе. Тое, што выратавала нас ад жыцця ў пячоры, - гэта магчымасць вырабляць нашыя інструменты для працы, няхай гэта будзе паляванне ці рэзка, і гэта дакладна. Мы рацыянальна вырабляем лепшы інструмент для працы, не спадзяемся на тое, што нам забяспечыла прырода ".

"Я думаю, што ў будучыні людзі азіраюцца на тыя прыёмы, якія выкарыстоўваліся сёння, і кажуць: як мы маглі зрабіць што-небудзь такім чынам?"

II. Як друкаваць вавёркі

Arzeda рухаецца міма эвалюцыйнага працэсу, распрацоўваючы лепшыя праграмныя інструменты, каб зрабіць цяжкае ўзвядзенне дызайну, хіміі і сінтэзу.

"Розніца паміж узломам сістэмы і распрацоўкай новай сістэмы з нуля", сказаў Зангэліні.

У Arzeda яны выкарыстоўваюць праграмнае забеспячэнне для імітацыі новых бялкоў, што значна скарачае час і энергію, неабходную для прасейвання версій прыроды. Гэта таксама дапамагае з вытворчасцю. Хімія цяжкая, і сінтэз бялкоў не 100% кожны раз. Але Arzeda выкарыстоўвае іх трубаправод для павышэння эфектыўнасці сінтэзу без памылак да 98 або 99 адсоткаў. Яны навострывалі нашмат лепш спосаб прымусіць хімію.

Спалучаючы дызайнерскія вавёркі ў разумны і новы спосаб, Arzeda можа пашырыць функцыю жывых клетак і ператварыць іх у эфектыўныя фабрыкі клетак, якія вырабляюць практычна любую малекулу, якая прадстаўляе інтарэс у грамадстве. Arzeda распрацавала праграмнае забеспячэнне, якое дзейнічае як

"Мы разумеем фізіку, і мы выкарыстоўваем гэтую фізіку і генерацыйны патэнцыял алгарытмаў, каб стварыць штучныя вавёркі, якія прырода, верагодна, ніколі не развівалася б, альбо што ніякая навуковая методыка, заснаваная на эвалюцыі, не вырабляла б", - сказаў Зангэліні.

З дапамогай новых бялкоў мы можам зрабіць больш эфектыўнымі тэхналогіі ва ўсіх сферах жыцця. Мы можам забыць, што жывыя сістэмы ўдзельнічаюць ва ўсім, што мы робім і выкарыстоўваем, часам глядзім нам проста ў твар.

"Паколькі вавёркі, якія мы распрацоўваем, кантралююць малекулярныя дэталі, мы можам атрымаць патрэбную малекулу амаль у 100 адсоткаў часу - і не патрабуючы дадатковай энергіі", растлумачыў Зангэліні.

"Хімікі на самай справе назаўсёды спрабуюць паўтарыць тое, што робіць прырода, якая ніколі не працавала так добра. Такім чынам, як мы бачым, навошта марнаваць час, імітуючы тое, што робіць прырода? Навошта выкарыстоўваць тыя ж інструменты, што і прырода? Давайце возьмем малекулы, якія стварае прырода, але перабудуем іх, каб яны зрабілі тое, што мы хацелі. "

III. Што мы можам зрабіць з канструктарскімі вавёркамі?

Прыклад 1: Больш эфектыўныя расліны

Tl; dr: "Магчымасць распрацоўваць вавёркі або змяняць іх па сваім жаданні можа паўплываць на кожны жывы арганізм".

Расліны - выратавальная кругласць чалавецтва на Зямлі, якая забяспечвае непасрэдна ежу, якую мы ямо, і паветра, якім мы дыхаем. Калі мы хочам падтрымліваць прырост насельніцтва доўга ў будучыні, нам амаль напэўна прыйдзецца зрабіць лепшыя расліны. Arzeda працуе над гэтым з розных бакоў.

Я папрасіў яго атрымаць невялікую навуковую фантастыку. Што ён меў на ўвазе, палепшыць расліны? Зрабіць іх вышэй, хутчэй, мацней?

Ён думаў значна больш, чым гэта.

"Вы можаце сабе ўявіць, што праз 20 гадоў, альбо нават праз 10 гадоў, у нас з'явяцца расліны, якія захопліваюць вуглярод (CO₂) з атмасферы нашмат лепш, але можам вырабляць больш ежы з меншай колькасцю угнаенняў", - выказаў здагадку Зангхеліні.

Адной з мэтаў з'яўляецца RuBisCO, які захоплівае CO₂ з паветра (тэхнічны тэрмін - "фіксаваць"), каб яны маглі зарабляць энергіяй і выкідваць у паветра кісларод. RuBisCo - самы распаўсюджаны бялок на зямлі, збольшага таму, што ён настолькі неэфектыўны.

Даволі вар'яцка, ён інгібіруецца кіслародам, якога ў атмасферы не было вельмі багата, калі выдзяляўся бялок. Каб пераадолець тармажэнне, да 40% расліннай біямасы складае RuBisCo. (Паводле ацэнак, да 40 мільёнаў тон RuBisCo ў біясферы, каля 5 кг на чалавека на зямлі). Гэта старажытныя людзі! І гэта ёсць у кожнай расліне нашай планеты.

"Як мы маглі б палепшыць ключавы бялок, які замацоўвае CO₂? Як мы можам палепшыць, унесці новы бялок, які забяспечвае ўстойлівасць да засухі? І калі мы распрацоўваем іх, як мы можам пасадзіць іх у расліны накіравана - інжынерна - у адрозненне ад гэтага прыроднага ладу? " сказаў Зангхеліні

Калі б мы маглі, напрыклад, зрабіць RuBisCo 2.0, мы маглі б адразу ж вырабіць мадыфікаваныя ўстаноўкі, якія маглі б скарыстацца нашай сучаснай атмасферай. Расліны, якія змаглі б расці хутчэй пры аднолькавай колькасці рэсурсаў.

432 млн. Гадоў выкапні раслін. Ён, хутчэй за ўсё, меў той самы бялок RuBisCo, як і сучасныя расліны. - Крыніца

Папярэднія метады мадыфікацыі раслін здаваліся прымітыўнымі нават сённяшнім стандартам: бярыце расліна, апрамяняйце яго, паспрабуйце перасекчы яго і разлічваць знайсці рысу. Што Arzeda робіць, гэта выкарыстанне машыннага навучання для стварэння новага і ўдасканаленага бялку, які цалкам замяняе RuBisCO. (Яны ўжо выкарыстоўвалі падобныя метады, каб выпрацаваць вавёркі, якія могуць палепшыць кукурузу, каб фермеры выкарыстоўвалі менш гербіцыдаў і атрымлівалі больш высокія ўраджаі)

Прыклад 2: Нафтавы бок: рэвалюцыя ў вытворчасці

Tl; dr: Усё зроблена з невялікай колькасці хімічных рэчываў, якія ствараюць алей. Велізарны працэнт усёй нашай вытворчай экасістэмы заснаваны на нафце. Арзеда мог аднойчы пераадолець гэтую залежнасць.

У канчатковым рахунку Зангхеліні лічыць, што мы не ўбачым вялікіх будынкаў з дымам, які падае ў атмасферу, як мы бачым сёння, - усе яны зніклі, таму што такія кампаніі, як Arzeda і іншыя ў сям'і фондаў АС, знойдуць лепшыя спосабы вырабу хімічных рэчываў.

"Часам мы забываем, што нафта з'яўляецца біялагічным прадуктам, і мы не ўсведамляем, якая частка навакольных нас рэчаў вырабляецца з нафты", - адзначыў ён. 5–8% кожнай здабытай нафты ў канчатковым выніку стварае пластык на прыборных панэлях аўтамабіля, нейлон у нашай хадавой машыне, ВК-дысплеі і нават жуйку, якую мы жаваем - усё залежыць ад сінтэтычнай хіміі 19 стагоддзя і, галоўнае , пра наяўнасць нафты.

Але ў будучыні з неа-бялкамі Arzeda для непасрэднага хімічнага сінтэзу нам не спатрэбіцца натуральнае алей.

"Тое, што мы робім з хімікатамі, было б проста некалькі флэш-ферментэраў, якія былі б падобныя на тое, што вы бачыце, калі едзеце ў Аёву ці дзе-небудзь у цэнтры краіны, проста гэтыя маленькія сіласы, і гэта вельмі шмат", - выказаў здагадку Зангеліні. .

"Уся хімія, усе злучэнні, усе матэрыялы, якія вы мелі ў сваім жыцці, былі б зроблены такім чынам. Няма больш дыму, больш пары, больш складаных хімічных працэсаў, таму што ўсё было б зроблена ў клетцы, альбо вавёркамі, якія былі распрацаваны. Вы проста ўвядзіце тое, што хочаце вырабіць у свой кампутар ".

Гэта на самай справе можа змяніць тэмп свету. І ў будучыні людзі азірацца назад і кажуць: "Вы ўяўляеце, калі раней мы прасвідравалі некалькі міль пад зямлёй, каб толькі здабыць што-небудзь у сырым выглядзе, а потым вазьміце гэта і падвяргайце яго высокай тэмпературы і ціску, проста, каб атрымаць простую малекулу? "

Сусветная сістэма вытворчасці можа быць цалкам на аснове мікроб ці, па меншай меры, натхнёная мікробам!

Менавіта таму арганізацыі і кампаніі, такія як DARPA, INVISTA, Mitsubishi і Amyris - ужо ўклалі грошы ў яго здольнасць хутка распрацоўваць новыя ферментныя шляху.

Arzeda прыносіць апрацоўчай прамысловасці ў будучыню, а будучыню апрацоўчай прамысловасці.