Страница 14 из 15
Основа биотехнологического бума
Хотя мы пока только учимся эффективно и безопасно восстанавливать и модифицировать человеческие тела (включая геномы), читать и писать в лаборатории генетический код других организмов мы умеем уже на протяжении десятилетий. Спрос на подобные технологии очень велик. Для понимания направления движения очень важно правильно оценить экономический вклад биотехнологии, несмотря на раннюю стадию ее развития. Коммерческая деятельность, основанная на генетической модификации, постепенно и неуклонно становится основным благоприятствующим фактором американской экономики.
К 2012 году доходы США от биотехнологии превысили 2 % ВВП (рис. 3.1). Их можно разделить на три основных сектора: биология (то есть биофармакология), генетически модифицированные культуры и промышленная биотехнология (например, топливо, ферменты и материалы). Если рассматривать биотехнологию как самостоятельную отрасль, то в 2012 году она внесла в экономику США больший вклад, чем добыча полезных ископаемых (0,9 %), коммунальные услуги (1,5 %) или производство компьютерной и электронной продукции (1,6 %). Если относительная величина вклада биотехнологии и стала неожиданностью, то лишь потому, что ее недооценивали. Скажем, вклад полупроводников был замечен и оценен министерством торговли еще в 1958 году, когда он составлял менее 0,1 % ВВП. Но по состоянию на 2016 год до сих пор нет официальных данных о вкладе в экономику биотехнологий. В результате экономические последствия их применения каждый раз становятся неожиданными.
Рис. 3.1. Рост доходов США от биотехнологий, млрд долларов
Доходы от биотехнологии все чаще зависят от способности читать, изменять и записывать генетический код по одной паре оснований ДНК за раз. За последние 30 лет у автоматизированных приборов появилась способность взаимно преобразовывать электронные и биологические инструкции друг в друга. Очень важно обратить внимание на этот временной промежуток, поскольку он меньше времени, оставшегося до 2050 года, то есть до конца периода, рассматриваемого в этой книге. Еще через 30 лет эта технология станет недорогой, повсеместно распространенной и значительно более мощной. С 1985 года расходы на чтение и запись ДНК снижались, а почасовая пропускная способность приборов увеличивалась в геометрической прогрессии, удваиваясь каждые 18 месяцев. В последние годы производительность секвенирования росла гиперэкспоненциально, что обусловлено ростом спроса на чтение генома людей, возбудителей заболеваний, опухолей, сельскохозяйственных культур, домашних животных и любого другого естественно возникшего организма, до которого могут дотянуться руки ученых (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Кривая Карлсона на фоне закона Мура.
Синтез ДНК и производительность секвенирования[1] по сравнению с количеством транзисторов на кристалле интегральной схемы
После оцифровки эти последовательности генов представляют собой набор инструкций, полезных для кодирования новых генетических возможностей в создаваемых организмах, сегодня это в основном микробы и растения. Одна ДНК может как содержать код одного белка, используемого в качестве фармацевтического препарата, так и целого фермента, при помощи которого можно получить любую молекулу, для производства которой сегодня требуется бочка нефти. После десятилетий обучения программированию биологии теперь в своих проектах мы не ограничиваемся лишь найденными в природе генами или их расположением.
Теперь можно разработать генетический код в соответствии с конкретными функциональными спецификациями, а затем включить эти инструкции в геном. Однако, как и в случае с кортикальным модемом и заменой тканей, мы начинаем проектировать генетические схемы, не зная, как работают все их составные части. Наиболее сложные коммерческие синтетические генетические схемы сегодня включают всего около 12 генов. Они вставлены в геном дрожжей, которые сами состоят из более чем 5000 генов, и о многих из них мы мало что знаем. В настоящее время биоинженерия занимается взломом сложной системы, которая была создана не людьми и документация на которую отсутствует. В течение следующих 30 лет на преодоление этого пробела в наших знаниях будут направлены серьезные средства.
Ближайшие десятилетия мы проведем в изучении того, как сочетаются друг с другом все части и системы, лежащие в основе жизни. Число этих компонентов, их функции и принципы взаимодействия конечны, и мало кто сомневается, что со временем мы опишем их полностью. По мере улучшения понимания растущий спрос на рынке неизбежно приведет к развитию возможностей технологии. Как будет выглядеть мир, когда мы наконец разберемся в том, что именно мы делаем?
Будущее, созданное биотехнологией
Чтобы создать некоторое представление о будущем биоинженерии, давайте рассмотрим следующее упражнение по обратному инжинирингу. Чем бы показался авиалайнер «Boeing 777» в 1892 году, за столетие до его первого полета? В эпоху, когда автомобили были новинкой, а лошади с их навозом – все еще нормой повседневной жизни, каждый аспект современного летательного аппарата представлял бы собой загадку. Материалы и методы, используемые при его строительстве, двигатели и системы, удерживающие его в воздухе, вычислительные системы и меры управления сложностью, позволяющие автопилоту осуществлять 90 % взлетов и посадок в любую погоду все бы считалось совершенно невозможным. Хотя очевидно, что все это допустимо с точки зрения законов физики (которые не изменились). В 1892 году «Boeing 777» был просто за пределами фантазии и технических возможностей.
В течение последующих 100 лет элементы, в итоге составившие «Boeing 777», были улучшены, доработаны и объединены в эффективное единое целое, сегодня кажущееся будничным делом. Эта инфраструктура в настоящее время настолько развита и настолько хорошо интегрирована, что конструкторы могут сидеть за настольными компьютерами и управлять автоматизированными производственными линиями, разбросанными на территории половины земного шара.
Тем не менее мы до сих пор не до конца понимаем, как на несущих плоскостях создается подъемная сила в турбулентном воздушном потоке. Вместо того чтобы основывать разработки на подробном физическом описании полета, мы удовольствуемся вычислительными алгоритмами из области аэродинамики, данные для которых собраны многократным моделированием. В конечном счете именно на основании этого моделирования мы решаем вопрос о летной годности «Boeing 777». Тем не менее продукты, появляющиеся из авиационной системы «проектирование для промышленного производства», настолько безопасны и хорошо воспроизводимы, что мы регулярно засыпаем практически сразу после взлета. Тот факт, что современная авиация стала элементом повседневности, является впечатляющим ключом к будущему биотехнологии. Хотя это может показаться банальным, будущее заключается в том, чтобы сделать биологическое производство столь же скучным, как современные самолетостроение и самолетовождение.
Преобразование уже идет. Индустрия автоматизации биологического проектирования, аналогичная той, что стоит за современным самолетостроением, сегодня формируется из амбициозных стартапов, разбросанных по нескольким континентам. Основными заказчиками здесь являются крупные фармацевтические и промышленные биотехнологические компании, оказавшиеся неспособными самостоятельно переориентироваться на исследования и разработки в этом направлении. Когда «проектирование для промышленного производства» станет привычным аспектом биоинженерии, мы получим доступ к основополагающей технологии, которая может быть использована для построения почти всего, что мы видим в природе. В будущем границы биотехнологии будут расширяться и выходить далеко за пределы ограниченного списка биологических органов и процессов сегодняшнего дня.
1
Используя коммерчески доступные инструменты.