Время живых машин. Биологическая революция в технологиях

скачать книгу бесплатно

За всю свою карьеру и особенно за годы работы в МТИ мне посчастливилось встретиться со множеством первооткрывателей в этой находящейся на стадии становления отрасли науки, и я видела, как новые открытия, сделанные в лабораториях, превращаются в продукты на рынке, воплощая идеи в действие. В следующих главах я покажу, как все это произошло, познакомлю с ключевыми фигурами и расскажу о некоторых из способов, которыми эти ученые надеются использовать инструментарий и технологии, разрабатываемые ими, чтобы решить масштабные гуманитарные, медицинские и экологические проблемы нашего времени.

Работа, которую они делают, – научная история этого века. Я в этом нисколько не сомневаюсь. Столетие назад физики и инженеры полностью изменили наш мир, а теперь биологи и инженеры так же глубоко изменят наше будущее. Эта книга является предисловием к зарождающемуся будущему, так что вы тоже можете насладиться зрелищем того, как оно наступает.

В книге я организовала деление по главам так, чтобы шаг за шагом провести вас от базовых до более сложных биологических понятий. Новый мир основанных на биологии технологий вырос из одной из самых значительных научных революций. Короче говоря, в 1950 г. мы не знали о физической структуре гена и о том, как он влияет на индивидуальные черты. Мы не знали о причине неконтролируемого деления раковых клеток и о том, что определяет цвет кукурузных зерен. Но теперь мы знаем.

В главе 2 я расскажу о нуклеиновых кислотах ДНК и РНК, которые выполняют функцию биологических информационных систем. Нуклеиновые кислоты управляют всей совокупностью биологических структур и обеспечивают точную передачу признаков от одного поколения к другому. Нуклеиновыми кислотами можно манипулировать, и эта глава описывает, как нуклеиновые кислоты вирусов могут быть использованы для производства аккумуляторов следующего поколения. ДНК и РНК несут в себе ряд инструкций по сборке белков – мини-машин, отвечающих за многие биологические функции. Глава 3 рассказывает историю открытия одного из таких белков под названием аквапорин, который является чрезвычайно избирательным каналом, пропускающим молекулы воды, позволяя ей поступать в клетку и покидать ее (в клетках бактерий, животных и растений). Сейчас этот белок применяется в коммерческих водяных фильтрах.

Технологии, описанные в главе 4, представляют одну из самых быстро развивающихся областей медицины, а именно молекулярную медицину. В ее основе лежит положение о том, что болезнь создает соответствующие отклонения в нормальных молекулярных процессах внутри наших клеток. Новая, высокочувствительная техника, которая распознает эти отклонения, делает раннюю диагностику заболеваний более надежной и дешевой.

Сложные биологические функции человека, такие как дыхание, пищеварение и слух, осуществляются с помощью тканей, состоящих из нескольких видов клеток, собранных вместе. Головной мозг – самая сложная ткань в организме. В главе 5 описывается, как мозг посылает сообщения по нервам, чтобы двигать конечностями, и как новые технологии могут восстановить ампутированные руки и ноги и помочь жертвам заболеваний мозга вернуть возможность пользоваться частями своего тела.

Глава 6 возвращает нас к сумме всех частей. Для каждого живого организма совокупность генов и экспрессия белка выражается в физических особенностях и называется фенотипом. По крайней мере последние 10 000 лет человечество отбирало и разводило животных и растения, оценивая их фенотипы. В этой главе описываются новые технические средства, которые ускоряют основанный на фенотипе отбор, что даст возможность отбирать зерновые с более высокой всхожестью и устойчивостью, чтобы прокормить растущее население планеты.

Из технологий, которые я описала в этой книге, каждая по-своему является продуктом революционного союза биологии и инженерного дела, происходящего буквально на наших глазах. Если я успешно сумею описать эти новые явления, которые обвенчали инженерное дело с биологией, вы увидите, что у вирусов, создающих аккумуляторы, много общего с белками, очищающими воду, и другими описанными в книге технологиями: они пользуются преимуществами обеих отраслей. И я надеюсь, что вы начнете видеть за линией горизонта эту общую характерную особенность многих технических решений.

Мы должны делать все, что можем, чтобы обеспечить это слияние и принести стирающие барьеры технологии в нашу жизнь, причем делать это надо быстро. В конце, в последней главе, я расскажу о нескольких стратегиях того, как мы можем действовать настолько быстро и эффективно, насколько это вообще возможно.

Глава

2

Может ли биология улучшить аккумулятор?

Когда в 1999 г. Анджела Белчер подала документы на получение своего первого гранта, один из рецензентов назвал ее проект “безумным”. Белчер только что приступила к работе в качестве профессора химии в Техасском университете в Остине, и для того, чтобы начать исследования, ей нужен был грант. То, что предлагала Анджела, казалось настоящим сумасшествием: она хотела сконструировать вирусы, которые можно было бы использовать, чтобы “вырастить” электрические цепи, а в конце концов и аккумуляторные батареи. Белчер предполагала, что выращенные вирусами аккумуляторы станут заряжаться быстрее, чем те, которые мы используем сегодня, не будут оставлять после себя практически никакого токсичного мусора и отчасти окажутся биоразлагаемыми. Ее предложение, по сути, давало чистый, дешевый и естественный способ сделать возобновляемую энергию практической альтернативой горючим ископаемым. Белчер чувствовала, что эта идея может изменить весь мир.