Текст книги "Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры"

Часть вторая
Наше время

5
Биоэкономика

В конце 2019 г., когда китайское правительство предпринимало активные попытки преуменьшить масштабы проблемы с появившимся в тот момент и чрезвычайно опасным новым коронавирусом, доктор Чжан Юнчжэнь, вирусолог Шанхайского государственного медицинского центра, испытывал в связи с этим загадочным патогенным организмом все большую озабоченность. К тому времени на счету его исследовательской группы уже было более 2000 выявленных вирусов, но особенности нового коронавируса, бушевавшего в Ухане, всего в восьми часах езды к западу от их лаборатории, вызывали тревогу. Помимо многих других причин основанием для тревоги был и тот факт, что заражение могло произойти за 10‒14 дней до проявления симптомов болезни. Чжан опасался, что в случае промедления с принятием мер со стороны правительства инфекция стремительно распространится от людей, находящихся в Ухане, – китайских граждан, иностранных рабочих и туристов – в те места, куда они поедут. Как и многие другие китайские лаборатории, которым было известно о новом возбудителе, Чжан с коллегами приступили к определению последовательности коронавируса{180}180
  Zhuang Pinghui, «Chinese Laboratory That First Shared Coronavirus Genome with World Ordered to Close for 'Rectification,' Hindering Its Covid-19Research,» South China Morning Post, February 28, 2020, www.scmp.com/news/china/society/article/3052966/chinese-laboratory-first-shared-coronavirus-genome-world-ordered.


[Закрыть].

Благодаря обширному опыту в открытии новых вирусов и современным технологиям команда Чжана расшифровала геном всего за 40 часов{181}181
  Grady McGregor, «How an Overlooked Scientific Feat Led to the Rapid Development of COVID-19 Vaccines,» Fortune, December 23, 2020, https://fortune.com/2020/12/23/how-an-overlooked-scientific-feat-led-to-the-rapid-development-of-covid-19-vaccines.


[Закрыть], {182}182
  Yong-Zhen Zhang and Edward C. Holmes, «A Genomic Perspective on the Origin and Emergence of SARS-CoV-2,» Cell 181, no. 2 (April 16, 2020): 223–27, https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.035.


[Закрыть]. Как и предполагали ученые, патоген напоминал вирус тяжелого острого респираторного синдрома (SARS), который свирепствовал во многих странах в 2003 г. Правительство Китая тянуло с признанием опасности, а Чжан тем временем оценивал личные и политические последствия обнародования результата расшифровки в сравнении с сокращающейся возможностью остановить распространение вируса. К счастью для всего мира, долго ждать он не стал. 5 января 2020 г. Чжан опубликовал последовательность в базе данных GenBank, которая, по сути, представляет собой биологическую «Википедию»{183}183
  «Novel 2019 Coronavirus Genome,» Virological, January 11, 2020, https://virological.org/t/novel-2019-coronavirus-genome/319.


[Закрыть], {184}184
  «GenBank Overview,» National Center for Biotechnology Information, www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank.


[Закрыть]. Исследователи размещают в ней установленные ими генетические последовательности и аннотации к ним. Модераторы сообщества рассматривают присланные сведения и в случае их одобрения публикуют. (Как и в случае с «Википедией», денег за такую работу по расшифровке последовательностей не получает никто, однако в выигрыше остаются все.) Но Чжана беспокоило, что даже этот процесс, на который уходит гораздо меньше времени, чем на публикацию в традиционных рецензируемых журналах, все равно окажется слишком долгим, чтобы донести информацию. Поэтому он обратился к своему другу из Австралии и попросил его опубликовать сообщение на virological.org, гораздо более свободном от администрирования дискуссионном сайте. Представьте себе Reddit, только для вирусологов. 10 января 2020 г. сообщение появилось в Сети и моментально активизировало безотлагательные меры со стороны GenBank{185}185
  См. прим. 4.


[Закрыть].

Несколькими днями позже в Кембридже (штат Массачусетс) предприниматель Нубар Афеян, сидя в ресторане за ужином в честь дня рождения дочери, получил эсэмэску от генерального директора его собственной фирмы Стефана Банселя. Афеян основал компанию Moderna, на тот момент еще малоизвестную, в названии которой сочетаются слова «модифицированная» и «РНК» (RNA), с тем чтобы переконструировать матричную РНК с помощью методов синтетической биологии для создания индивидуальной противоопухолевой терапии. Технология функционировала в условиях лаборатории, но не привела к появлению товарной продукции, поэтому специалисты компании переключились на моделирование мРНК для различных методов лечения: разрабатывали новые биты кода, чтобы научить клетки человека выполнять новые функции, такие как выработка антител и заживление тканей.

Афеян поспешно вышел на улицу и перезвонил Банселю. Тот был в курсе развития событий вокруг последовательности Чжана и знал, что погоня за противовирусными препаратами и вакцинами уже началась. Он попросил разрешение отвлечь средства, выделенные на 20 препаратов, находящихся у Moderna на стадии разработки, и перенаправить их на создание мРНК-вакцины против нового вируса. Опыта у компании было достаточно: Moderna в течение многих лет сотрудничала с NIH в работе по созданию прототипов вакцин на основе мРНК против коронавирусов. Однако ни одну из этих вакцин на рынок еще не вывели, а у Moderna не было лишних денег, чтобы развернуть полномасштабную программу по созданию препарата с нуля. Несмотря на риск Бансель чувствовал, что затевается что-то важное, и Афеян согласился. «Действуй», – сказал он{186}186
  Walter Isaacson, «How mRNA Technology Could Upend the Drug Industry,» Time, January 11, 2021, https://time.com/5927342/mrna-covid-vaccine.


[Закрыть].

Работая с последовательностями, опубликованными Чжаном в GenBank, Moderna начала создавать последовательности РНК для шипикового белка коронавируса. Как известно, внешне этот вирус напоминает покрытый шипами шар. По опыту предыдущих исследований специалисты команды знали, что именно эти шипиковые белки, скорее всего, вызовут ответную реакцию: иммунная система человека, как правило, фокусируется на крупных, заметных признаках. По сути, разработанная компанией вакцина должна была действовать как биологический плакат с надписью «Разыскивается опасный преступник! Шар, покрытый шипами! При обнаружении – убить на месте!».

Moderna уже выполнила основную часть нелегкой работы, например выяснила, как направить эту мРНК во внешнюю область клеток, цитоплазму, где строятся белки. Вне клеточного ядра мРНК должна создавать временную базу, переводить собственную строку букв в белок и сразу после этого удаляться. Это подтолкнет клетки к производству безопасных компонентов коронавируса, чтобы запустить работу иммунной системы. Затем мРНК разрушается, а дальше организм борется сам, используя собственные защитные механизмы.

С помощью специально разработанных инструментов ученые искали в генетическом коде определенные особенности: включатели и выключатели, последовательности нуклеиновых кислот, помечающие конец гена во время транскрипции, и наборы инструкций, которыми определяются точки запуска и остановки для различных белков. Разница между SARS-CoV-2 и другими коронавирусами заключается всего лишь в 12 дополнительных буквах генома: CCU CGG CGG GCA. Именно эти 12 букв делают его таким вирулентным. Они обеспечивают активизацию шипикового белка и его вторжение в клетки человека. Но мРНК способна доставить в клетки набор инструкций, нацеленных на эту строку букв и останавливающих атаку вируса. На разработку этого кода ушло всего два дня{187}187
  Susie Neilson, Andrew Dunn, and Aria Bendix, «Moderna Groundbreaking Coronavirus Vaccine Was Designed in Just 2 Days,» Business Insider, December 19, 2020, www.businessinsider.com/moderna-designed-coronavirus-vaccine-in-2-days-2020-11.


[Закрыть].

Такой подход – с использованием синтетической РНК – гораздо более эффективный и адаптируемый, нежели старые протоколы вакцин, например основанные на ослабленных вирусах или, как в случае с ежегодной вакцинацией против гриппа, требующие миллионов яиц для производства необходимого количества доз. По сути, Moderna создавала генетические инструкции, которые можно написать, как компьютерную программу, и упаковать в наноскопического размера аналоги USB-накопителей. После введения этих биологических USB-накопителей в клетки последние послушно выгружают инструкции мРНК и следуют им. К тому же такие вакцины более безопасны и их проще контролировать. В отличие от генной терапии, которая может вызвать постоянные или даже передающиеся по наследству генетические изменения, мРНК действует в наших клетках совсем недолго. Генерирующая вакцину программа работает в течение непродолжительного времени и саморазрушается.

Moderna совместно с биотехнологической компанией BioNTech наконец-то нашла реальное применение тому, что все считали труднореализуемой, фантастической технологией. Но вакцины, которые есть сегодня в нашем распоряжении, были бы невозможны без многолетних достижений в развитии техники и технологий, лежащих в основе процессов синтетической биологии. Все эти технологии, машины, вспомогательные системы и то, что они производят, составляют биоэкономику: процессы производства и потребления, связанные с синтетической биологией и вытекающие из нее, которые в совокупности удовлетворяют потребности компаний, работающих в этой сфере. Вакцины на основе мРНК против COVID-19 лишь первое из множества чудес, которые будут созданы биоэкономикой завтрашнего дня.

Последнее заявление кажется вам далеким от реальности? История показывает, что это не так.

* * *

17 мая 1877 г. Александр Грэм Белл и Томас Уотсон стояли на сцене Чикеринг-холла в Нью-Йорке, демонстрируя трем сотням собравшихся диковинную конструкцию из дерева и металла. Долгие годы изобретатели усердно пытались решить задачу, которая в те времена представлялась крайне далекой от жизни: как передать человеческий голос с помощью электрических импульсов телеграфного провода. В итоге они соорудили приемник и мембрану, которые преобразовывали речь в электрические импульсы, а затем превращали импульсы обратно в речь. В Чикеринг-холле состоялась первая наглядная презентация новой технологии. Авторы ее рассказали публике, что провод соединяет их изобретение с устройством в Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси) и с другим устройством в Нью-Йорке, у которого человек глубоким баритоном пел известный псалом «Божьи воины, смотрите…» («Hold the Fort»){188}188
  «The Speaking Telephone: Prof. Bell's Second Lecture Sending Multiple Dispatches in Different Directions over the Same Instrument at the Same Time Doing Away with Transmitters and Batteries a Substitute for a Musical Ear Autographs and Pictures By Telegraph,» The New York Times, May 19, 1877, www.nytimes.com/1877/05/19/archives/the-speaking-telephone-prof-bells-second-lecture-sending-multiple.html.


[Закрыть].

Белл рассказал об изобретении и обеспечивающих его работу нехитрых соединениях, и собравшиеся внезапно услышали невидимого певца. Некоторые зрители, убежденные, что «говорящий телефон» не более чем искусный трюк, шумно требовали обыскать помещение и найти вокалиста. Белл продолжил демонстрацию и прочитал обстоятельную лекцию с подробным объяснением электрической конструкции и теории звука. Его объяснение, а также экскурсия за кулисы в итоге убедили сомневающихся в том, что телефон настоящий{189}189
  Там же.


[Закрыть].

Потребовалось несколько лет, чтобы предприниматели осознали ценность этой революционной технологии, однако со временем появились десятки предприятий, изготавливающих продукцию для удовлетворения потребностей новой телефонной отрасли: системы общих батарей, металлические контуры, кабели, переключатели, переносные и настенные телефонные аппараты, проектировка сетей для телефонных станций, огромные антенны для передачи телефонных сигналов и компании по их установке, коммутаторы и операторы, инженерные сети для производства и распределения электроэнергии, даже специализированные кустарные фирмы, которые украшали яркими гирляндами и флагами первые конструкции телефонных станций – леса, соединяющие провода с заземленными столбами.

К 1918 г. в США насчитывалось десять миллионов телефонов Bell System, существовали аналогичные локальные сети, охватывающие Европу и Скандинавию. Проблема заключалась в том, что у этих сетей были географические ограничения. Чтобы обеспечить возможность телефонных звонков через океан, миру потребовались новые изобретения – электронные коммутационные системы, технология микроволновой связи и транзисторы{190}190
  «AT&T's History of Invention and Breakups,» The New York Times, February 13, 2016, www.nytimes.com/interactive/2016/02/12/technology/att-history.html.


[Закрыть]. Если операторы сетей в течение нескольких следующих десятков лет сосредоточили усилия на постепенных усовершенствованиях, то у служившего в составе британских ВВС Артура Кларка имелись гораздо более смелые идеи относительно связи. В 1945 г. он опубликовал статью с описанием способа мгновенной передачи сообщения между двумя точками на планете при помощи «внеземных ретрансляторов» и футуристических телефонных станций, не привязанных к земле и не украшенных гирляндами, а находящихся на орбите, значительно дальше горизонта{191}191
  Arthur C. Clarke, «Extra-Terrestrial Relays: Can Rocket Stations Give World-Wide Radio Coverage?,» In Progress in Astronautics and Rocketry, ed. Richard B. Marsten, 19: 3–6, Communication Satellite Systems Technology (Amsterdam: Elsevier, 1966), https://doi.org/10.1016/B978-1-4832-2716-0.50006-2.


[Закрыть]. Кларк, ставший впоследствии легендарным писателем-фантастом, сформировал тогда концепцию объекта, движущегося со скоростью вращения Земли на расстоянии примерно 35 785 км от ее поверхности. Чтобы обеспечить радиоохват в любой точке планеты, на него должна была быть постоянно направлена наземная антенна.

Энтузиазма по поводу столь оригинальной идеи было мало. Активизировать поддержку проекта удалось только после знаменательного мирового события – вывода Советским Союзом на орбиту куска металла размером с надувной мяч, который получил название «Спутник-1». В 1958 г. США запустили спутник SCORE (орбитальный ретранслятор спутниковой связи), который передавал единственное сообщение: голос президента Дуайта Эйзенхауэра с пожеланиями мира Земле и всем людям доброй воли{192}192
  Donald Martin, Paul Anderson, and Lucy Bartamian, «The History of Satellites,» Sat Magazine, reprinted from Communication Satellites, 5th ed. (Reston, VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007), www.satmagazine.com/story.php?number=768488682.


[Закрыть], {193}193
  Mark Erickson, Into the Unknown Together: The DOD, NASA, and Early Spaceflight (Maxwell Air Force Base, AL: Air University Press, 2005).


[Закрыть]. В 1960-х гг. принадлежащие компании American Telephone and Telegraph (AT&T) «Лаборатории Белла» (Bell Labs) совместно с NASA усовершенствовали эту технологию, и в результате на свет появилось одно из важнейших изобретений в современной истории: обеспечивающий двустороннюю связь спутник, который мог двигаться по синхронной орбите относительно фиксированной точки на поверхности Земли. Такие спутники позволили создать эфирное телевидение, ускорили начало полетов в космос, предоставили всем нам доступ к GPS и привели к появлению мобильных телефонов, без которых мы уже не представляем свою жизнь. Изобретенный Беллом «говорящий телефон», некогда высмеиваемый как слишком диковинное для применения в повседневной жизни устройство, превратилось в голиафа индустрии связи, стоимость которого сегодня составляет 1,7 трлн долларов{194}194
  Оценка на момент написания этой книги в 2021 г.


[Закрыть].

Сам телефон и поддерживающие его сети, появившиеся благодаря его изобретению, сыграли определяющую роль в развитии практически всех видов бизнеса и сфер жизни общества, в том числе еще одной невероятной исследовательской работы, опубликованной в 1962 г. Сотрудник Массачусетского технологического института Дж. Ликлайдер, который также работал в Агентстве перспективных оборонных исследовательских проектов при Министерстве обороны США (ARPA), подробно изложил гипотезу настолько неправдоподобную, что первые читатели приняли ее за шутку. Возможно, дело было в названии. Ликлайдер предложил концепцию «галактической сети» компьютеров, которые могут общаться друг с другом{195}195
  J. C. R. Licklider, «Memorandum for Members and Affiliates of the Intergalactic Computer Network,» April 23, 1963, Advanced Research Projects Agency, archived at Metro Olografix, www.olografix.org/gubi/estate/libri/wizards/memo.html.


[Закрыть]. Статья вышла в разгар холодной войны, и Ликлайдер объяснял, что его концепция сети обеспечит коммуникацию между государственными ведомствами, даже если СССР разрушит систему телефонной связи. (После запуска советского спутника возникли опасения, что технический потенциал СССР способен нанести ущерб США.) Чтобы проверить идею Ликлайдера, в 1969 г. Министерство обороны создало экспериментальную сеть ARPANET, установив связь между компьютерами Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Стэнфорде. Профессор Калифорнийского университета попытался отправить своим коллегам в Северной Калифорнии простое слово login, однако после буквы "o" система дала сбой. Таким образом, первой трансляцией через интернет стало неудавшееся, к сожалению, сообщение из двух букв – lo{196}196
  Leonard Kleinrock, «The First Message Transmission,» Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN), October 29, 2019, www.icann.org/en/blogs/details/the-first-message-transmission-29-10-2019-en.


[Закрыть].

Тем не менее к концу 1970-х гг. специалист в сфере компьютерных технологий Винтон Серф разработал порядок (или контрольный протокол) управления передачей данных, служащий своего рода виртуальным рукопожатием удаленных компьютеров и позволяющий передавать информацию в обе стороны{197}197
  Ryan Singel, «Vint Cerf: We Knew What We Were Unleashing on the World,» Wired, April 23, 2012, www.wired.com/2012/04/epicenter-isoc-famers-qa-cerf.


[Закрыть]. Это достижение стало предпосылкой к появлению в 1991 г. инновации от Тима Бернерса-Ли, создавшего Всемирную паутину, в которой отправлять и получать информацию мог бы любой житель планеты{198}198
  «History of the Web,» World Wide Web Foundation, https://webfoundation.org/about/vision/history-of-the-web.


[Закрыть]. В 1992 г. группа студентов Иллинойсского университета представила веб-браузер Mosaic – более удобный способ поиска информации в зарождающейся Сети{199}199
  Sharita Forrest, «NCSA Web Browser 'Mosaic' Was Catalyst for Internet Growth,» Illinois News Bureau, April 17, 2003, https://news.illinois.edu/view/6367/212344.


[Закрыть]. В нем пользователи не ограничивались простым текстовым интерфейсом, навыков программирования тоже не требовалось. Перед ними были картинки и простые в использовании ссылки для перехода на другие веб-страницы. Затем появились коммерческий интернет и бесчисленные компании: веб-серверы, поставщики услуг электронной почты, новые сети, такие как Compuserve и America Online, поисковые системы и Google, электронная коммерция и Amazon. А социальные сети – излюбленное место для грубых перепалок – составляют лишь мизерный сегмент того, что существует в мировой паутине, хотя при упоминании слова «интернет» в воображении большинства людей возникают именно такие сайты. Интернет – это невидимая инфраструктура, на которой держатся практически все компоненты современной жизни: от систем начисления заработной платы до городских служб, медицинской документации, школьных тестов и цепочек поставок в продуктовые магазины.

Ряд ведущих экономистов, включая Остана Гулсби, Питера Кленоу и Эрика Бринолфссона, пытались рассчитать созданную интернетом стоимость{200}200
  «Net Benefits,» The Economist, March 9, 2013, www.economist.com/finance-and-economics/2013/03/09/net-benefits.


[Закрыть]. Все они пришли к одинаковым выводам: любое исследование будет неполноценным, поскольку интернет сейчас является универсальной технологией, такой же как электричество. Если общество лишить электричества, это повлечет за собой экономические последствия в виде катастрофического снижения производительности, доходов и нашей способности создавать товары и оказывать услуги.

Синтетическая биология сейчас находится на том же этапе развития, что и «говорящий телефон» в Чикеринг-холле. Она существует. Она работает. Но обширные сети обеспечивающих поддержку ее и связанных с ней предприятий, компаний и второстепенных игроков еще только предстоит создать. Когда-нибудь мы придем к тому, что синтетическая биология будет считаться универсальной технологией. Как и в случае с телефоном и интернетом, ценность синтетической биологии для общества выйдет далеко за те рамки, которые мы сегодня можем себе представить. Но первые показатели у нас уже есть: в январе 2020 г. национальные академии наук, инженерного дела и медицины опубликовали исчерпывающее исследование, в котором доля биоэкономики в ВВП США оценивается в 5 %, что составляет более 950 млрд долларов{201}201
  «U.S. Bioeconomy Is Strong, But Faces Challenges–Expanded Efforts in Coordination, Talent, Security, and Fundamental Research Are Needed,» National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, press release, January 14, 2020, www.nationalacademies.org/news/2020/01/us-bioeconomy-is-strong-but-faces-challenges-expanded-efforts-in-coordination-talent-security-and-fundamental-research-are-needed.


[Закрыть]. (Это было еще до начала пандемии COVID-19 и до прогресса в области синтетической биологии, достигнутого такими компаниями, как Moderna, что в основном является закономерным следствием.) В исследовании McKinsey, проведенном в мае 2020 г., проанализировано влияние на мировую экономику 400 новаторских разработок, относящихся к синтетической биологии и находящихся на стадии подготовки, и определено, что за период с настоящего времени и до 2040 г. эти новшества могут в среднем ежегодно давать 4 трлн долларов дохода{202}202
  Michael Chui, Matthias Evers, James Manyika, Alice Zheng, and Travers Nisbet, «The Bio Revolution: Innovations Transforming Economies, Societies, and Our Lives,» McKinsey and Company, May 13, 2020, www.mckinsey.com/industries/pharmaceuticals-and-medical-products/our-insights/the-bio-revolution-innovations-transforming-economies-societies-and-our-lives.


[Закрыть]. И в такой сумме не учтены все косвенные финансовые эффекты от смежных предприятий, услуг и продуктов, которые неизбежно появятся при становлении отрасли.

Развитие этих косвенных эффектов и есть то, что сегодня называют сетью создания стоимости. Концепция была выдвинута в 1997 г. профессором Гарвардского университета Клейтоном Кристенсеном в замечательной книге «Дилемма новатора» (The Innovator's Dilemma). В широком смысле сеть создания стоимости – это здоровая экосистема компаний, совместные усилия которых ведут к созданию продуктов и услуг, привлекательных для потребителей. Если взять лишь небольшой срез интернета – интернет вещей, – то сеть создания стоимости включает в себя программное обеспечение, платформы, интерфейсы, возможности подключения и взаимодействия, обеспечение безопасности, сельское хозяйство, здравоохранение, транспортные средства, цепочки поставок, робототехнику, заводскую портативную электронику и десятки подвидов бизнеса, в рамках которых существуют сотни стартапов и авторитетных компаний, работающих над оптимизацией взаимодействия сетевых устройств, чтобы сделать жизнь обычных людей проще и комфортней.

Сеть создания стоимости синтетической биологии только начинает формироваться. Несмотря на то что реакция этого сектора на COVID-19 ускорила рост, пока в каждом его сегменте всего по нескольку игроков. Но ситуация быстро меняется. В 2020 г. инвесторы вложили в стартапы синтетической биологии 8 млрд долларов{203}203
  Stephanie Wisner, «Synthetic Biology Investment Reached a New Record of Nearly $8 Billion in 2020–What Does This Mean for 2021?,» SynBioBeta, January 28, 2021, https://synbiobeta.com/synthetic-biology-investment-set-a-nearly-8-billion-record-in-2020-what-does-this-mean-for-2021.


[Закрыть]. Этот объем финансирования не особо впечатляет, если учесть, что оценка компании Bytedance, создателя TikTok, в начале 2021 г.{204}204
  Zhou Xin and Coco Feng, «ByteDance Value Approaches US$400 Billion as It Explores Douyin IPO,» South China Morning Post, April 1, 2021, www.scmp.com/tech/big-tech/article/3128002/value-tiktok-maker-bytedance-approaches-us400-billion-new-investors.


[Закрыть] приближалась к цифре 400 млрд долларов, однако ежегодно, начиная с 2018 г., темпы роста инвестиций в синтетическую биологию удваивались. Сейчас существуют биржевые инвестиционные фонды (ETF), полностью состоящие из акций биотехнологических компаний. Всего несколько лет назад таких фондов не было. В октябре 2020 г. BlackRock, компания-тяжеловес в сфере управления инвестициями, инициировала ETF для синтетической биологии, последовав примеру ARK Capital Management и Franklin Templeton, чьи ETF показали лучше результаты, чем ожидалось. В 2019 г. ARK получила 44 % прибыли от инвестиций, а в 2020 г. – ошеломляющие 210 %. Медианный размер сделок при первом публичном предложении акций компаний синтетической биологии также растет: в 2020 г. в среднем первое публичное предложение оценивалось в два раза выше, чем в 2019-м{205}205
  См. прим. 24.


[Закрыть].

Все это обеспечивает работой существующие компании, поддерживающие инфраструктуру биоэкономики: производителей оборудования, выпускающих синтезирующие машины, роботов и сборочные устройства; продавцов ДНК, ферментов, белков и клеток. А также фирмы, разрабатывающие специализированное программное обеспечение – Photoshop, например, но для применения в сфере биологии.

Всем этим компаниям требуется быстрое подключение к интернету, автоматизация и облачная среда, не говоря уже о зашифрованных сетях, надежных сервисах и управлении базами данных. Между тем многие из старых инструментов биотехнологии просто недостаточно хороши для высокоточного технического проектирования, необходимого для современной синтетической биологии. Однако, как вы сейчас увидите, технологии и инструменты, формирующие биоэкономику, тоже стремительно развиваются.

* * *

Учитывая, насколько быстро Чжан и его команда секвенировали геном Sars-CoV-2, трудно представить, как происходило секвенирование ДНК по старой методике. До того как компьютеризованные и автоматизированные инструменты получили широкое распространение, ученым приходилось тщательно подготавливать ДНК, зачастую с использованием протоколов собственной разработки, которые создавались отдельными лабораториями. Простых в использовании наборов для очистки ДНК, которые сегодня применяют лаборатории, не существовало. Не было и секвенаторов, которые автоматизировали многие сложные лабораторные процессы. Исследователям приходилось вручную проводить реакции, изготавливать большие гелевые пластины и работать с ними, читать и вручную регистрировать данные. Утверждать что-либо относительно полученных последовательностей было практически невозможно, поскольку генетических баз данных и специализированного программного обеспечения для поиска информации, предназначенного для работы с геномом, также не существовало.

Со временем появились автоматизированные генетические анализаторы PRISM, которые выполняли самые сложные задачи для Вентера и Коллинза, когда они в 2003 г. соревновались в секвенировании генома человека. На расшифровку первого генома человека ушло 13 лет, а общая стоимость проекта «Геном человека», в которую также вошли существенные расходы, не связанные с секвенированием, составила 3,2 млрд долларов. Если бы в 2003 г. Вентер и Коллинз начали проект заново, используя все ставшие теперь доступными новые технологии, они завершили бы его менее чем за год, потратив всего 50 млн долларов. К 2007 г. один из стартапов создал еще более быструю систему, которая секвенировала ДНК Джеймса Уотсона за 1 млн долларов. Всего 10 лет спустя машины нового поколения научились считывать отдельные молекулы ДНК или РНК, что дало исследователям возможность изучать клетки по отдельности, выявляя включенные и выключенные гены. Британская компания Oxford Nanopore Technologies выпускает секвенирующую машину, равную по стоимости айфону и вдвое меньше его по размеру. Астронавт Кейт Рубинс использовала ее в 2016 г., впервые успешно секвенировав ДНК в условиях космоса. Секвенаторы становятся всё удобней – и всё способней{206}206
  «DNA Sequencing in Microgravity on the International Space Station (ISS) Using the MinION,» Nanopore, August 29, 2016, https://nanoporetech.com/resource-centre/dna-sequencing-microgravity-international-space-station-iss-using-minion.


[Закрыть]. Компания Roswell Biotechnologies, штаб-квартира которой расположена в Сан-Диего, разрабатывает технологии «молекулярно-электронного» секвенирования, посредством которых ферменты ДНК соединяются непосредственно с полупроводниковыми чипами. Такие чипы смогут регистрировать действия каждого отдельного фермента в электронном виде и таким образом эффективно следить, что с ними происходит. Есть надежда, что через пару лет портативное устройство сможет секвенировать полный геном в течение часа, при этом стоимость операции составит менее 100 долларов.

Темпы прогресса в секвенировании – от 3,2 млрд долларов и 13 лет до 100 долларов и 60 минут – не имеют аналогов в промышленности. Но речь только о чтении генома. Что касается действительно серьезных вещей, то мы в самом начале пути.

* * *

Клетки программировать сложнее, чем обычный компьютер, отчасти из-за отсутствия полного понимания клеточных процессов, а отчасти потому, что биология – это технология, основанная на воде. В этом ее отличие от технологий, основанных, например, на кремниевых чипах и электронике, где электроны летают по фиксированным траекториям, а точные высокоскоростные переключатели управляют потоком. Клетка – это кастрюля с супом из тысяч разнообразных молекул, которые постоянно взаимодействуют между собой. Все они движутся очень медленно по сравнению с шустрыми электронами. Клеточные процессы и код не абсолютно случайны, но вместе с тем и не являются линейными и логичными, поэтому предсказать поведение любой биологической системы сложно. Инструкции по эксплуатации к клеткам и их компонентам не прилагаются, технических стандартов и описаний, которые обычно помогают инженеру собрать устройство, тоже нет.

Традиционно молекулярно-биологические эксперименты проводились либо в живых организмах (in vivo), либо в пробирках (in vitro). Но поскольку в синтетической биологии применяется машинное обучение, то эксперименты можно моделировать на компьютере. Итак, добро пожаловать в эру виртуального моделирования экспериментов. Например, полипептидная цепь, содержащая более 100 аминокислот, считается белком. В этой крошечной цепочке больше возможных комбинаций, чем атомов в видимой части Вселенной. Но с помощью моделирования in silico[10]10
  Обозначение метода компьютерного моделирования экспериментов, главным образом биологических. Термин представляет собой игру слов; он близок по написанию к латинскому in silicio – «в кремнии»; в производстве компьютерного оборудования кремний как полупроводниковый материал играет важную роль. – Прим. ред.


[Закрыть] исследователи смогут проверить, как будут взаимодействовать разные генетические сочетания, научиться прогнозировать поведение клеток и проводить эксперименты, выясняя, что происходит с биологическими процессами после синтетического вмешательства.

Тем не менее проверка разработанных in silico решений такими аспектами будет ограничена. Ученым же необходимо также наблюдать за биологической активностью в реальном мире, а для этого нужно выращивать клетки и строить молекулы. Кроме того, им требуются все более быстрые способы синтеза ДНК. Как и в случае с первыми компьютерами, в роли первых синтезаторов ДНК выступали высококвалифицированные специалисты, способные выполнять сложные и повторяющиеся операции. Но ядовитые испарения в лабораториях и монотонность задач вызывали у химиков горячее желание автоматизировать эту часть работы.

Первый синтезатор ДНК появился в 1980 г., когда компания Vega Biotechnologies выпустила на рынок аппарат размером с микроволновку, который мог автоматизировать производство ДНК{207}207
  «Polynucleotide Synthesizer Model 280, Solid Phase Microprocessor Controller Model 100B,» National Museum of American History, https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_1451158.


[Закрыть]. Стоил он 50 000 долларов (на момент написания нашей книги это около 160 000 долларов) и в день производил один фрагмент (олигонуклеотид), при условии что длина этого фрагмента составляла не более 15 оснований. С тех пор стоимость создания олигонуклеотидов значительно снизилась, и за один раз можно синтезировать миллионы фрагментов.

Современные прецизионные синтезаторы добавляют нужное основание ДНК в цепочку с точностью 99,5 %. Однако с увеличением количества циклов добавления повышается вероятность ошибок, что естественно, если учесть огромную массу задействованных оснований. Поэтому длина олигонулеотидов, которые могут быть получены путем химического синтеза, ограничивается несколькими сотнями оснований, при этом длина большинства составляет около 60 оснований. Для многих задач, например для исследования ПЦР (полимеразной цепной реакции), ставшего золотым стандартом диагностики COVID, с помощью которого выявляется специфичная для вируса РНК, этого размера достаточно. Но для того, чтобы записать фрагмент размером с ген или больше, необходимо собрать олигонуклеотиды в более протяженную цепочку. В природе синтез и сборка ДНК взаимосвязаны. В лабораторных условиях это пока отдельные процессы. А единственная ошибка в генетическом коде нарушит все, что происходит дальше по цепочке.

В сфере биоэкономики есть специальные фирмы, занимающиеся снижением этой неопределенности. К примеру, компания Twist Bioscience спроектировала систему, способную производить большие объемы последовательностей ДНК при низком уровне ошибок и чрезвычайно малых затратах. Технология основана на кремниевом чипе с крошечными вытравленными лунками. Лунки заполняются генетическим материалом, а затем ДНК собирается в точные последовательности. Если сравнивать с традиционными методами, используемыми в биологических лабораториях, то данная разработка в миллион раз сокращает потребность в дорогостоящих реагентах и при этом в 9 600 раз увеличивает количество синтезируемых генов{208}208
  US Security and Exchange Commission Form S-1/A filing by Twist Bioscience on October 17, 2018, SEC Archives, www.sec.gov/Archives/edgar/data/1581280/000119312518300580/d460243ds1a.htm.


[Закрыть]. Ученые могут отправить в Twist ДНК-проект и через несколько дней получить молекулы ДНК. Но не спешите радоваться: компания оказывает услуги не всем, а только проверенным авторизованным пользователям, то есть сотрудникам зарегистрированных научных лабораторий или сертифицированных компаний. И синтезировать что попало они тоже не будут. Каждую последовательность ДНК проверяют по базе данных потенциально опасных вариантов, например молекул вирусов или токсинов. Увы, не все компании, занимающиеся синтезом ДНК, выполняют такое тестирование – абсурд, однако по закону подобная проверка не является обязательным требованием. Подробнее об этом пойдет речь в следующей главе.

* * *

Обстановка, в которой происходит синтез ДНК, напоминает декорации к научно-фантастическим фильмам о далеком будущем: по полу в стерильных, ярко освещенных залах следуют по заданным траекториям огромные белые роботы-манипуляторы. Они пересекают помещение, подхватывая пластинки и чипы, усеянные крошечными лунками, в которые вводятся различные генетические материалы. Эти роботы дружно всасывают и дозируют жидкости, пока идет синтез и сборка молекул ДНК из байтов компьютерного кода и подготовка готовой продукции к отправке.

Строительство и оснащение современной биолаборатории – такой, как у Twist Bioscience, – стоит десятки миллионов долларов. Впрочем, у небольших компаний есть и другие варианты. Биологические фабрики – это объекты, на которых высокотехнологичные, производящие манипуляции с жидкостями роботы и вычислительные системы занимаются в стерильной среде генетическим проектированием живых организмов, притом что все действия и данные регистрируются компьютерами. Их создание и обслуживание обходится не дешевле, но они работают, так сказать, по найму. Это версия предприятия синтетической биологии, аналогичная кухням-призракам – тем, которые используют рестораны, работающие исключительно на доставку в больших городах. Поскольку ресурсы используются совместно, биологические фабрики могут проводить множество экспериментов в широких масштабах. Некоторые фабрики, такие как Emerald Cloud Labs в Южном Сан-Франциско и Strateos в Менло-Парке, полностью перевели лаборатории в виртуальный формат, обеспечив ученым возможность заниматься программированием и работать в них практически из любого места.