Биология для программистов: как инженерный подход меняет мир
Партнеры венчурного фонда Andreessen Horowitz, эксперты в области инвестиций в биотех Хорхе Конде, Виджай Панде и Джули Ю написали манифест о роли инженерных принципов для создания инноваций в биологии, основные мысли из которого легли в основу этого поста.
Человечество находится на пороге перехода биологии от эмпирической науки к инженерной дисциплине. На протяжении тысячелетий для воздействия на живые системы применялись техногенные подходы, сейчас же мы начали использовать собственные механизмы природы — с помощью биологической инженерии — для проектирования, масштабирования и преобразования самой жизни.
Гипотеза, проверка, пересмотр данных — это эмпирическая наука. Инжиниринг, однако, работает не совсем так: вы используете детали, которые хорошо знаете и понимаете, для проектирования и создания чего-либо, например софта. Мы хорошо умеем писать программы — отчасти потому, что начали делать их с нуля. Тем не менее идея перенести инженерное мышление в биологию, эволюционирующую миллиарды лет без участия человека, хорошо прижилась.
Лекарства как код
Концепт одной из систем быстрой разработки лекарств.
Так же, как программисты предпочитают работать с нуля, когда дело доходит до технического долга, биологи и разработчики теперь могут создавать совершенно новые вещи. Первый большой шаг в этом направлении был сделан 41 год назад, когда в Научно-исследовательском институте Бекмана при участии компании Genentech с помощью технологии рекомбинантной (искусственной) ДНК создали генно-инженерный человеческий инсулин.
Инженерный подход в корне меняет методы диагностики, лечения и управления заболеваниями. Сегодня такие инструменты, как CRISPR, позволяют с нарастающей «от релиза к релизу» точностью программировать биологию, начиная с бактерий, предназначенных для производства новых химических веществ и белков, заканчивая клетками, «натренированными» для борьбы с раком.
Прорыв в технологиях «программируемых лекарств» (в форме генов, клеток, микробов и даже мобильных приложений и программного обеспечения, которые могут влиять на здоровье) приближает нас к следующей парадигме медицины. И прорыв весьма своевременен: в среднем только один из 20 разрабатываемых препаратов эффективен непосредственно в организме человека. Просто невероятно, что мы вообще находили работающее лекарство, учитывая, что люди являются MVP-продуктом миллиардов лет эволюции с самым невероятным спагетти-кодом в истории.
Поскольку новые лекарственные препараты представляют собой инженерные системы и являются программируемыми по своей природе, процесс создания новых лекарств становится итеративным — от разработки молекулы для одной конкретной цели к разработке платформы, на которой могут быть построены многие будущие лекарства. Например, биотехнологическая компания Ginkgo Bioworks вместо того чтобы производить более эффективные антибиотики создала биопринтер, при помощи которого можно печатать «конкурирующие» с резистентными микроорганизмами штаммы бактерий.
Медицина 2.0
Ученые Кембриджского университета (Великобритания) создали бактерии кишечной палочки с полностью синтетическим геномом.
Как и постоянно обновляемое ПО, программируемые лекарственные средства становятся лучше в последующих поколениях. Например, метод CAR T-клеточной терапии предполагает введение пациенту собственных Т-лимфоцитов, искусственно запрограммированных на распознавание «мишени» (опухолевых клеток), и каждая новая версия сконструированных CAR T-клеток будет сложнее предыдущей. При этом за счет оптимизации техпроцесса стоимость метода снизится (в настоящее время она составляет около $500 тыс.).
Модульный аспект производства лекарств означает, что новые решения легче создавать, повторно используя общие компоненты, таким образом мы приходим к аналогу систем автоматизации проектирования электронных устройств (EDA), позволяющих моделировать разрабатываемые устройства и исследовать их работу до внедрения в аппаратуру.
Благодаря достижениям в области машинного обучения, компьютеры предоставляют нам новые методы диагностики и лечения в том, что сейчас носит называние «Медицина 2.0». Большие объемы информации представлены в «понятных» для машин изображениях с достаточным количеством размеченных данных: например, в микроскопии, рентгенологии, патологии и т.д. Другие наборы данных по своей природе довольно близки к изображениям, «понятным» нейросетям — последовательность ДНК или белков можно рассматривать как очень длинный упорядоченный массив цифр.
Образ жизни как программируемое лекарство
Продолжительность жизни в существующих в настоящее время племенах примитивного уровня — хадза, хиви, австралийские аборигены, яномамо и проч. (без учета детской смертности).
Не все новые методы лечения связаны с молекулами. Существует старая шутка о том, что сантехники спасли больше жизней, чем врачи: улучшение работы канализации сильно повлияло на продолжительность жизни. На самом деле образ жизни — это невероятно эффективное лекарство.
По данным ВОЗ, состояние здоровья человека определяется четырьмя основными факторами: образ жизни (≈50%), наследственность (≈20%), климат и экология (≈20%), уровень здравоохранения (≈10%). В США на поддержание последнего пункта ежегодно тратят $3 трлн, при этом изменение паттернов поведения человека в сторону здорового образа жизни на данном этапе может оказаться намного эффективнее для повышения качества физического, психического и социального благополучия. Технологический подход поможет и здесь.
Телефоны, смарт-часы, глюкометры, тонометры и другие устройства генерируют огромный объем данных, в котором с помощью машинного обучения можно выявить скрытые нюансы человеческого поведения. Например, сопоставление данных о времени обеда, о вашей активности в течение дня, о продолжительности сна выявит ошибки в поведении, которые в конечном итоге приведут к значительному риску в отношении вашего здоровья.
Технологии сильно меняют поведение. Уже сегодня вы можете загрузить мобильные приложения для лечения сложных хронических состояний, таких как диабет и когнитивные расстройства.
Заключение: инженерная биология для трансформации мира
В США не так давно начали одобрять генную терапию для пациентов. По мере роста темпов инноваций будут увеличиваться и возможности. Ожидается, что к концу следующего десятилетия пациентам станут доступны 10—20 генных терапий в год.
Мы стали свидетелями того, как с помощью новых методов в биологии меняется не только медицина, но и рынок продуктов питания, сельское хозяйство, и даже само программное обеспечение (с использованием ДНК-компьютеров). Биология сегодня — это информационные технологии 50 лет назад: так же, как софт, она однажды станет частью каждой отрасли.
В будущем доминирующими игроками на рынке здравоохранения станут технологические компании. Подобно тому, как облачные сервисы ускорили и упростили процесс создания технологической компании, совместное использование лабораторных помещений и WLA (облачный инструмент, с помощью которого ученый без знаний в области программирования может проводить эксперименты посредством роботизированного управления) значительно снизило стоимость и скорость запуска био-стартапа с нуля.
Какими бы захватывающими ни казались перспективы мощных новых лекарств, успех достигается за счет повышения сложности. Помимо совершенствования науки и инженерии, необходимо также развивать инфраструктуру отрасли, снижать стоимость и улучшать цепочки доставки индивидуального лекарства пациенту. На решении этих проблем биотех будет сосредоточен в ближайшее десятилетие.
