Достижения в области информационных технологий стимулируют развитие науки, занимающейся созданием синтетических организмов с нуля.
Биология претерпевает изменения. После столетий изучения естественного развития жизни исследователи теперь используют комбинацию вычислений и генной инженерии для вмешательства в процесс, создавая новые белки и даже целые бактерии с нуля. Использование инструментов искусственного интеллекта для разработки биологических компонентов, подход, известный как генеративная биология, призван придать импульс этой области исследований. Буквально в прошлом году ученые использовали технологию искусственного интеллекта для создания искусственных генов, которые могут экспрессироваться в клетках млекопитающих, и впервые программа искусственного интеллекта была использована для создания полностью синтетического вируса.
Этот подход - нечто гораздо большее, чем просто серия технических достижений. Как пишет биохимик Адриан Вулфсон в своей книге "Будущее видов", он может изменить ход развития жизни на Земле. В книге подробно рассказывается о науке, лежащей в основе этой преобразующей технологии, начиная с первых попыток секвенирования генов и заканчивая развитием технологий, основанных на искусственном интеллекте. Его видение того, чем становится биология, придает книге связность, которой иногда не хватает в обзорах последних достижений синтетической биологии.
Одна из центральных тем книги Вулфсона заключается в том, что благодаря вычислительным инструментам жизненные паттерны (будь то порядок расположения генов в хромосомах или физические особенности, которые кодируются генами) становятся все более предсказуемыми и поддающимися манипулированию. Это значительно упрощает работу исследователей с ДНК организма для достижения желаемого результата — будь то исправление вызывающей заболевание мутации, разработка белков, которых никогда не существовало в природе, или создание организмов, способных устранять загрязнение окружающей среды. Системы искусственного интеллекта могут перепроектировать геномы in silico, как если бы они были программным обеспечением, перестраивая гены, как код. Эти программы используют моделирование, чтобы предсказать, как последовательность гена соотносится со структурой белка, который он кодирует, и, следовательно, с функцией белка. Они также могут провести моделирование, чтобы проверить, как может вести себя измененный геном.
Вулфсон предполагает, что однажды разработка генома с помощью искусственного интеллекта позволит ученым создать компьютерную систему, которую он называет каталогом видов. Это хранилище будет содержать всю информацию, необходимую для создания целого ряда возможных форм жизни. Такой каталог позволил бы исследователям создавать организмы для конкретных целей, таких как производство инновационных лекарств и повышение устойчивости сельскохозяйственных культур к вредителям, чтобы устранить необходимость в пестицидах в сельском хозяйстве.
В конечном счете, отмечает Вулфсон, исследователи надеются достичь того, что он называет искусственным биологическим интеллектом, — моделей, которые могут создавать полные, работающие геномы с нуля. Однако существует множество ограничений, которые мешают современным моделям достичь этого. Во-первых, по-прежнему крайне сложно предсказать, как экспрессия каждого отдельного гена влияет на экспрессию других. Кроме того, развитие организма зависит от контекста и поэтому его трудно объединить в четкий алгоритм. Например, личинки пчел могут превратиться в рабочих пчел или маток в зависимости от питания. Ни одна из этих характеристик не может быть предсказана компьютерными моделями.
И, конечно, есть проблемы, связанные с созданием организма в лабораторных условиях. То, что возможно создать геном единорога, не означает, что люди смогут ездить на нем верхом. Проект по созданию синтетического генома дрожжей, который начался в 2006 году, иллюстрирует некоторые из этих трудностей. Геном представляет собой модифицированную версию натуральных дрожжей Saccharomyces cerevisiae, с изменениями, позволяющими, помимо прочего, удалять несущественные генетические участки и упрощать физическое перемещение участков генома. Но сборка синтетических хромосом была трудоемкой и сборка несколько из них была завершена только в 2025 году. Кроме того, ДНК, полученная традиционным способом, при создании конденсируется таким образом, что помещается в ядро; ретроспективно поместить целые хромосомы в клетку сложно. Вовлеченные исследователи все еще работают над этой последней проблемой.
Другая сложность заключается в том, как эволюция ограничивает возможные пути развития организма, о чем свидетельствуют многолетние эксперименты. С 1988 года исследователи отслеживали, как культуры бактерий Escherichia coli, содержащиеся в идентичных условиях, эволюционировали на протяжении многих лет. Большинство бактериальных культур постепенно накапливали генетические мутации, позволяющие более эффективно усваивать глюкозу, но в 2003 году одна культура удивила исследователей, эволюционировав таким образом, что стала полностью усваивать другую молекулу - цитрат. Этот сдвиг потребовал дупликации генов и перестройки всех метаболических программ. Вероятно, это было предопределено судьбой штамма в начале эксперимента, когда произошла первая из этих мутаций, направившая этот штамм по эволюционному пути, отличному от других.
Вулфсон предупреждает, что это показывает, как небольшие изменения в геноме сегодня могут привести к необратимому биологическому будущему. Некоторые варианты, однажды сделанные, исключают другие варианты. Если исследователи хотят свободно создавать виды, им нужно остерегаться этих улиц с односторонним движением. Например, если ученые исключат путь биосинтеза, потому что сочтут, что в нем нет необходимости, у всех будущих организмов из этой линии он будет отсутствовать. Слишком интенсивное редактирование генома может привести к созданию организмов, которые не смогут эволюционировать или подвергаться эволюции в ответ на изменение окружающей среды.
Что касается идеи перепроектирования генома человека, Вулфсон отказывается вступать в этические дебаты о внесении изменений, которые могли бы передаваться из поколения в поколение, вместо этого сосредоточившись на том, что технологически возможно сейчас и что может стать возможным в будущем. Небольшие терапевтические изменения, внесенные всего в несколько генов, уже приносят пользу людям с диабетом и серповидноклеточной анемией. Но для устранения более сложных состояний, таких как аутоиммунные заболевания, потребуется перестройка сложных генетических программ, которые до сих пор изучены лишь частично.
Вулфсон также убедительно описывает вторую центральную тему книги - биоразнообразие. Он рассматривает экосистемы и виды как обширные архивы эволюционных знаний: гигантскую библиотеку возможных форм, функций и решений жизненных проблем. Каждый организм разработал свои собственные стратегии для оптимизации термодинамики, обмена веществ, размножения и многого другого. Исследователи могли бы использовать эту библиотеку при перепроектировании организмов. Но ни один отдельный ученый или алгоритм не смог бы полностью реконструировать эти уникальные и чрезвычайно сложные приспособления, если бы вид вымер. Даже если бы у исследователей была полная последовательность генома, беременность должна была бы наступить у другого вида с другой средой вынашивания, и эпигенетическая информация (молекулярные метки на ДНК, которые модулируют экспрессию генов) была бы утеряна. Таким образом, утверждает Вулфсон, биологическое разнообразие имеет не только эстетическую ценность или этическую значимость. Это также основа, от которой в конечном счете зависят прогностическая биология и построение генома.
В книге "Будущее видов" четко сформулируются связи между молекулярной биологией, системной биологией, вычислительной техникой и эволюцией. Вулфсон уделяет исключительное внимание деталям, дает точные объяснения, доступные неспециалистам, но при этом достаточно глубокие, чтобы привлечь внимание экспертов. Однако временами оптимизм Вулфсона в отношении будущих возможностей моделирования превосходит существующие теоретические рамки. Его уверенность в том, что мы в конечном итоге сможем точно предсказать взаимосвязи между генами и признаками, которые они кодируют, может недооценивать роль стохастической изменчивости в биологии.
В заключение Вулфсон предостерегает о том, что создание геномов с нуля по своей сути не опасно, но мы приобретаем инструменты, достаточно мощные, чтобы переделать жизнь, при этом нам не хватает теоретического понимания, необходимого для контроля последствий. Модифицированные организмы могут нанести непреднамеренный вред. Например, бактерии, сконструированные таким образом, чтобы они были устойчивы к антибиотикам, могут, если они покинут лабораторию, вызвать распространение резистентности в популяциях диких бактерий. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить безопасное и ответственное использование этих новых технологий.
