Biotech zegt dat het het leven kan programmeren om nieuwe dingen te maken. Is dat waar?

Mensen vertellen graag wat ze moeten doen. Alles wat we kunnen vaststellen, voorspellen en controleren - van computers tot fabrieken - kunnen we programmeren om betrouwbare, bruikbare resultaten te krijgen. De biotechnologie is zover gerijpt dat wetenschappers levende cellen steeds meer als programmeerbaar beschouwen, maar niet iedereen is het eens met het gebruik van die term. Door te sleutelen aan en hun genen te bewerken om allerlei nuttige nieuwe producten, moleculen, chemicaliën en materialen op grote schaal te creëren, beloven leiders op dit gebied van synthetische biologie de manier waarop we dingen maken fundamenteel opnieuw uit te vinden, aangedreven door nieuwe en opkomende technieken voor het bewerken van DNA en het schijnbaar onbeperkte productieve potentieel van de biologie.

Bedrijven zoals Zymergen, AmyrisAMRS
, en Gingko Bioworks zijn enkele van degenen die dit concept bevorderen, dat een basisprincipe is geworden onder velen in de biotech. “Het kernidee achter synthetische biologie is dat biologie fundamenteel programmeerbaar is, omdat het draait op digitale code in de vorm van DNA,” zei Jason Kelly, CEO van Gingko Bioworks, tijdens een recente conferentie. "Als je code kunt lezen en schrijven, en je hebt een machine die het uitvoert - wat we een cel noemen - dan is dat programmeren."

Levende wezens, van de eenvoudigste cellen tot complexe organismen, zijn al geïndustrialiseerd. Dierlijke landbouw is een voor de hand liggend voorbeeld, of gisten, die in gigantische vaten worden gegooid waar ze op grote schaal essentiële chemicaliën zoals citroenzuur produceren. Maar wat als de genen van die gisten zouden kunnen worden bewerkt zodat ze in plaats daarvan bijvoorbeeld een kostbaar mineraal of een farmaceutisch bruikbare molecule produceerden? Wat als de cellen van een koe opnieuw gecodeerd zouden kunnen worden om een ​​constante aanvoer van pure filet mignon te produceren?

De verbeelding kan op hol slaan met dit idee: voer de juiste instructies in een cel - of miljarden daarvan - en produceer nieuwe chemicaliën of niet-giftige kleurstoffen, zuiver water, maak efficiënter bioreactoren, wie weet wat nog meer. Ondanks alle opwinding en belofte, terwijl deze ideeën en technieken meer wijdverbreid en verfijnd worden, ontstaat er ook onenigheid over de vraag: kunnen we werkelijk beweren dat je het leven als software programmeert? Zouden we? En wat betekent dat eigenlijk?

Voor sommigen biedt programmeerbiologie de mogelijkheid om ongeëvenaarde materiële en economische overvloed voor de hele planeet te bieden, terwijl we ook onze rol als rentmeesters van Ruimteschip Aarde verbeteren, waardoor we minder reden hebben om fossiele brandstoffen op te graven of giftige chemicaliën te produceren om de dingen te produceren die we nodig hebben en liefde. Anderen zien het hele idee als niet meer dan een gebrekkige analogie, zelfs een contraproductieve verkeerde karakterisering die het risico loopt het leven te behandelen als iets dat veel minder complex en mysterieus is dan het in werkelijkheid is. Klimaatverandering is slechts één voorbeeld van hoe een dergelijke houding ons op een dwaalspoor kan brengen. Zoals vaak het geval is, is inzicht te vinden in de ruimten tussen deze gezichtspunten.

De 'zwarte doos' van de biologie

In de recente geschiedenis hebben mensen veel geleerd over de innerlijke werking van levende cellen. De industrie is nu op zoek naar innovatie door rechtstreeks met deze interne werkingen te communiceren en de logica van berekeningen toe te passen door krachtige nieuwe tools zoals CRISPR om individuele genen te bewerken. Het menselijk begrip van de levende systemen die deze technologieën voor ons ontsluiten, staat nog in de kinderschoenen, maar ze worden al productief gebruikt. De mRNA-technologie achter de COVID-19, bijvoorbeeld, bevordert de immuniteit door de instructies van cellen voor het produceren van eiwitten direct te herschrijven. Als dat geen programmeren is, wat dan? is het?

De sleutel tot het idee van programmeerbiologie is het feit dat levende systemen draaien op code, DNA, dat in plaats van enen en nullen we interpreteren als A's, C's, T's en G's. Het is een taal die mensen kunnen lezen en zelfs leren schrijven, maar wij kunnen dat nog niet vloeiend. Bij wijze van analogie kunnen we werken met woorden en korte zinnen, maar niet met volledige zinnen, laat staan ​​met alinea's of hoofdstukken. Het veranderen van slechts één letter in een genetische sequentie kan resultaten opleveren die goed, slecht of niet-detecteerbaar zijn, en heel vaak volgt de uitkomst niet de logische verwachtingen.

Bijna niets hiervan is waar voor computercode, die mensen op een fundamenteel niveau begrijpen omdat we het hebben uitgevonden. Sommigen beweren dat we om deze reden de biologie nooit echt in een zinvolle zin kunnen programmeren. Welke maatregelen we ook nemen om het onder controle te houden, ze herinneren ons eraan: "het leven vindt een weg"om de dozen die we eromheen bouwen te ondermijnen of te doorbreken (niet altijd met zo'n dramatisch effect als Jurassic Park). Bij digitaal programmeren is voorspelbaarheid de sleutel. Een spreadsheet-app die zo nu en dan onverwachts een getalswaarde wijzigt, heeft weinig zin. Maar één ding dat we zeker kunnen zeggen over het leven, is dat het zo is niet voorspelbaar. In feite wordt evolutie aangedreven door onvoorspelbaarheid, aangezien genetische mutaties veel hebben bijgedragen aan de oogverblindende verscheidenheid aan leven op aarde.

Tegelijkertijd bouwen en gebruiken we regelmatig complexe systemen met een sterk beperkte voorspelbaarheid. Vliegtuigen, verkeerssystemen, computernetwerken, ze bestaan ​​allemaal uit zoveel kleinere, voorspelbare onderdelen dat hun gedrag slechts tot op zekere hoogte voorspelbaar is, altijd in staat om iets te doen dat niemand ziet aankomen. Voor iedereen die zijn innerlijke werking niet kent, zou zelfs een perfect geconstrueerde computer een 'black box' kunnen worden genoemd: we weten wat erin gaat en wat eruit komt, zonder te begrijpen wat er binnenin gebeurt. Iets soortgelijks zou kunnen worden gezegd van de huidige relatie met de biologie.

Fuzzy Logic

Gelukkig voor biotechnologie vereist het pad naar vooruitgang misschien geen volledig begrip van de code van het leven. Diepere kennis en vaardigheden kunnen worden verkregen door: omarmen de onvermijdelijke marges van mysterie die voortkomen uit het werken met levende systemen. Het invoeren van nieuwe genetische code in een cel met een verwacht resultaat, terwijl je ook openstaat voor het onverwachte, zou programmeren kunnen worden genoemd, of misschien porren, een vraag stellen aan de natuur zelf. Hoewel dit misschien niet zo betrouwbaar of efficiënt is als het opstellen van code voor een computerprogramma, is het voordeel dat de antwoorden vaak verrassend zijn en soms betrekking hebben op vragen die niet eens zijn gesteld. Dat is hoe innovatie gebeurt, en het onderscheidt biologie op een aantal opwindende manieren van elk ander 'programmeerbaar' domein.

In de industrie bestaat niet de luxe om te wachten op een volledig begrip van de complexe systemen die de evolutie de afgelopen vier miljard jaar heeft bedacht voordat ze in gebruik kunnen worden genomen. De noodzaak om mijlpalen te bereiken en bruikbare, schaalbare en uiteindelijk verkoopbare producten te leveren, laat geen andere keuze dan het meest directe pad naar de beste en meest bruikbare resultaten te vinden. De realiteit accepteren van werken met onvoorspelbaarheid betekent bouwen meestal voorspelbare systemen die het vele onverwachte - maar vaak nuttige - gedrag van de natuur kunnen tolereren. Zodra die processen binnen het bereik van herhaalbaarheid vallen dat door traditionele berekenings- of fabricageprocessen wordt geaccepteerd, wordt het onderscheid minder belangrijk.

De complexiteit van biologie is reden voor nederigheid, maar ook voor enthousiasme. Er is een kans in de biotechnologie om processen en vaardigheden te leren en zelfs te benutten die niemand nooit zou kunnen uitvinden, laat staan ​​volledig begrijpen. We hebben bijvoorbeeld de kip niet uitgevonden en begrijpen zeker niet alle werkende delen, wat er in zijn hoofd omgaat als we ze voeren, of wat de keten van gebeurtenissen is die granen omzet in een ei dat een hele nieuwe kip. Maar ze bieden ons zoveel waarde, betrouwbaar en op schaal, dat ze net zo goed als geavanceerde technologie kunnen worden beschouwd. De vraag of genetische modificatie en codering van levende systemen neerkomt op 'programmeren', is dan ook grotendeels semantisch. Het is ook ondergeschikt aan de echte vraag: wat zal er worden gedaan met deze nieuwe en steeds betere vaardigheden? Als we proberen de fundamentele werking van biologie te begrijpen, zou het niet echt uit moeten maken welk woord we gebruiken om het te beschrijven, zolang we manieren vinden om onze kwaliteit van leven en de gezondheid van de planeet te verbeteren.