Biotech sagt, dass es das Leben programmieren kann, um neue Sachen zu machen. Ist das wahr?

Menschen lieben es, Dingen zu sagen, was sie tun sollen. Alles, was wir herstellen, vorhersagen und steuern können – von Computern bis hin zu Fabriken – können wir so programmieren, dass wir zuverlässige, nützliche Ergebnisse erhalten. Die Biotechnologie ist so weit ausgereift, dass Wissenschaftler lebende Zellen zunehmend als programmierbar betrachten, aber nicht jeder ist mit der Verwendung dieses Begriffs einverstanden. Durch die Manipulation und Bearbeitung ihrer Gene, um alle möglichen nützlichen neuen Produkte, Moleküle, Chemikalien und Materialien in großem Maßstab zu schaffen, versprechen die führenden Unternehmen auf diesem Gebiet der synthetischen Biologie, die Art und Weise, wie wir Dinge herstellen, grundlegend neu zu erfinden, angetrieben durch neue und aufkommende Techniken zur Bearbeitung von DNA und das scheinbar grenzenlose produktive Potenzial der Biologie.

Unternehmen wie Zymergen, AmyrisAMRS
und Gingko Bioworks sind einige derjenigen, die dieses Konzept vorantreiben, das für viele in der Biotechnologie zu einem Grundprinzip geworden ist. „Der Kerngedanke der synthetischen Biologie ist, dass die Biologie grundsätzlich programmierbar ist, weil sie auf digitalem Code in Form von DNA basiert.“ sagte Jason Kelly, CEO von Gingko Bioworks, kürzlich auf einer Konferenz. „Wenn Sie Code lesen und schreiben können und eine Maschine haben, die ihn ausführt – die wir Zelle nennen – dann ist das Programmieren.“

Lebewesen, von der einfachsten Zelle bis hin zu komplexen Organismen, sind bereits industrialisiert. Ein offensichtliches Beispiel ist die Tierhaltung oder Hefen, die in riesige Bottiche geworfen werden, wo sie in großen Mengen lebenswichtige Chemikalien wie Zitronensäure produzieren. Aber was wäre, wenn die Gene dieser Hefen so verändert werden könnten, dass sie stattdessen beispielsweise ein wertvolles Mineral oder ein pharmazeutisch nützliches Molekül produzieren? Was wäre, wenn die Zellen einer Kuh neu kodiert werden könnten, um eine konstante Versorgung mit reinem Filet Mignon zu produzieren?

Bei dieser Idee kann der Fantasie freien Lauf gelassen werden: Geben Sie einer Zelle – oder Milliarden davon – die richtigen Anweisungen und produzieren Sie neue Chemikalien oder ungiftige Farbstoffe, reinigen Sie Wasser und machen Sie es effizienter Bioreaktoren, wer weiß was noch. Bei aller Aufregung und Verheißung entstehen mit zunehmender Verbreitung und Verfeinerung dieser Ideen und Techniken auch Meinungsverschiedenheiten über die Frage: Können wir das? wirklich Anspruch, lebensechte Software zu programmieren? Sollten wir? Und was bedeutet das überhaupt?

Für einige bietet die Programmierbiologie die Möglichkeit, den gesamten Planeten mit beispiellosem materiellen und wirtschaftlichen Reichtum zu versorgen und gleichzeitig unsere Rolle als Verwalter des Raumschiffs Erde zu verbessern, indem sie uns weniger Gründe gibt, fossile Brennstoffe auszugraben oder giftige Chemikalien zu produzieren, um die Dinge herzustellen, die wir brauchen und die Liebe. Andere halten die ganze Vorstellung für kaum mehr als eine fehlerhafte Analogie, sogar für eine kontraproduktive Fehlcharakterisierung, die das Risiko birgt, das Leben als etwas zu behandeln, das viel weniger komplex und mysteriös ist, als es wirklich ist. Der Klimawandel ist nur ein Beispiel dafür, wie solche Einstellungen uns in die Irre führen können. Wie so oft kann in den Zwischenräumen zwischen diesen Standpunkten Einsicht gefunden werden.

Die „Black Box“ der Biologie

In der jüngeren Geschichte hat der Mensch viel über das Innenleben lebender Zellen gelernt. Die Industrie ist nun auf der Suche nach Innovationen, indem sie direkt mit diesen inneren Abläufen interagiert und die Logik der Berechnung mithilfe leistungsstarker neuer Technologien anwendet Tools wie CRISPR einzelne Gene zu bearbeiten. Das menschliche Verständnis der lebenden Systeme, die diese Technologien für uns erschließen, steckt noch in den Kinderschuhen, aber sie werden bereits produktiv genutzt. Der mRNA-Technologie Das hinter dem COVID-19 steckende Virus beispielsweise fördert die Immunität, indem es die Anweisungen der Zellen zur Produktion von Proteinen direkt umschreibt. Wenn das nicht Programmieren ist, was dann? is es?

Der Schlüssel zur Idee der Programmierbiologie ist die Tatsache, dass lebende Systeme auf Code, DNA, laufen, die wir statt Einsen und Nullen als A, C, T und G interpretieren. Es ist eine Sprache, die Menschen lesen und sogar schreiben lernen können, aber wir können sie noch nicht fließend beherrschen. Analog dazu können wir mit Wörtern und kurzen Phrasen arbeiten, aber nicht mit ganzen Sätzen, geschweige denn mit Absätzen oder Kapiteln. Die Änderung nur eines Buchstabens in einer genetischen Sequenz kann zu guten, schlechten oder nicht nachweisbaren Ergebnissen führen, und sehr oft entspricht das Ergebnis nicht den logischen Erwartungen.

Fast nichts davon trifft auf Computercode zu, den Menschen auf einer grundlegenden Ebene verstehen, weil wir ihn erfunden haben. Einige argumentieren, dass wir die Biologie aus diesem Grund niemals wirklich in einem sinnvollen Sinne programmieren können. Egal welche Maßnahmen wir ergreifen, um es zu kontrollieren, sie erinnern uns daran: „Das Leben findet einen Weg„um die Kisten, die wir um sie herum aufbauen, zu untergraben oder aus ihnen auszubrechen (nicht immer mit so dramatischer Wirkung wie Jurassic Park). Bei der digitalen Programmierung ist Vorhersehbarkeit der Schlüssel. Eine Tabellenkalkulations-App, die hin und wieder unerwartet einen Zahlenwert ändert, nützt wenig. Doch eines können wir mit Sicherheit über das Leben sagen: Es ist so nicht vorhersagbar. Tatsächlich wird die Evolution von Unvorhersehbarkeit angetrieben, da genetische Mutationen einen Großteil der schillernden Vielfalt des Lebens auf der Erde beigetragen haben.

Gleichzeitig bauen und nutzen wir regelmäßig komplexe Systeme mit deutlich eingeschränkter Vorhersehbarkeit. Flugzeuge, Verkehrssysteme, Computernetzwerke, sie alle bestehen aus so vielen kleineren, vorhersehbaren Teilen, dass ihr Verhalten nur bis zu einem gewissen Punkt vorhersehbar ist und immer in der Lage ist, etwas zu tun, was niemand erwartet. Für alle, die sein Innenleben nicht kennen, könnte selbst ein perfekt konstruierter Computer als „Black Box“ bezeichnet werden: Wir wissen, was hineingeht und was herauskommt, ohne zu verstehen, was im Inneren passiert. Ähnliches ließe sich über das aktuelle Verhältnis zur Biologie sagen.

Fuzzy Logic

Zum Glück für die Biotechnologie erfordert der Weg zum Fortschritt möglicherweise kein vollständiges Verständnis des Lebenscodes. Tiefergehende Kenntnisse und Fähigkeiten können dadurch erlangt werden umarmen die unvermeidlichen Randbereiche des Mysteriums, die sich aus der Arbeit mit lebenden Systemen ergeben. Das Einspeisen eines neuen genetischen Codes in eine Zelle mit einem erwarteten Ergebnis und gleichzeitige Offenheit für das Unerwartete könnte als Programmierung oder vielleicht als Anstoß bezeichnet werden und eine Frage an die Natur selbst stellen. Auch wenn dies möglicherweise nicht so zuverlässig und effizient ist wie das Entwerfen von Code für ein Computerprogramm, hat der Vorteil darin, dass die Antworten oft überraschend sind und sich manchmal auf Fragen beziehen, die gar nicht gestellt wurden. Auf diese Weise entsteht Innovation, und sie unterscheidet die Biologie auf spannende Weise von allen anderen „programmierbaren“ Bereichen.

In der Industrie gibt es nicht den Luxus, darauf zu warten, dass die komplexen Systeme, die sich die Evolution in den letzten vier Milliarden Jahren ausgedacht hat, vollständig verstanden werden, bevor sie genutzt werden können. Die Notwendigkeit, Meilensteine ​​zu erreichen und nützliche, skalierbare und letztendlich marktfähige Produkte bereitzustellen, lässt keine andere Wahl, als den direktesten Weg zu den besten und nützlichsten Ergebnissen zu finden. Die Realität der Arbeit mit Unvorhersehbarkeit zu akzeptieren bedeutet, aufzubauen meist vorhersehbare Systeme, die die vielen unerwarteten – aber oft nützlichen – Verhaltensweisen der Natur tolerieren können. Sobald diese Prozesse innerhalb des Bereichs der Wiederholbarkeit liegen, der von herkömmlichen Berechnungs- oder Herstellungsprozessen akzeptiert wird, verliert die Unterscheidung an Bedeutung.

Das Komplexität der Biologie ist Anlass zur Demut, aber auch zur Begeisterung. In der Biotechnologie besteht die Möglichkeit, Prozesse und Fähigkeiten zu erlernen und sogar zu nutzen, die niemand jemals erfinden, geschweige denn vollständig verstehen könnte. Wir haben zum Beispiel das Huhn nicht erfunden und verstehen schon gar nicht alle seine funktionierenden Teile, was in seinem Kopf vorgeht, wenn wir es füttern, oder was die Kette von Ereignissen ist, die Körner in ein Ei verwandelt, aus dem ein Ganzes entstehen kann neues Huhn. Aber sie bieten uns so viel Wert, zuverlässig und in großem Maßstab, dass man sie genauso gut als fortschrittliche Technologie betrachten könnte. Die Frage, ob die Genbearbeitung und Kodierung lebender Systeme einer „Programmierung“ gleichkommt, ist weitgehend semantischer Natur. Es ist auch zweitrangig gegenüber der eigentlichen Frage: Was wird mit diesen neuen und sich ständig verbessernden Fähigkeiten geschehen? Wenn wir versuchen, die grundlegende Funktionsweise der Biologie zu verstehen, sollte es keine Rolle spielen, mit welchem ​​Wort wir sie beschreiben, solange wir Wege finden, unsere Lebensqualität und die Gesundheit des Planeten zu verbessern.