Ponovno pisanje knjige recepata o prirodi: Kako su bioinstalacije ginkgo uzrujane gotovo svaku industriju o kojoj razmišljate

Ginkgo Bioworks sa sjedištem u Bostonu u posljednje je vrijeme naslovio:

  • Ginkgo će "donijeti biorazlikovanje masama". (Brza tvrtka.)
  • Ginkgo će vas "uvjeriti da volite GMO". (Atlantik.)
  • Ginkgo su "DNK policajci" koji pomažu u "sprečavanju stvaranja nove klase biološkog oružja". (Bloomberg).
  • Ginkgo će "izmisliti Mooreov zakon". (Forbes).

Što sve to znači? Kako jedna tvrtka može sve to učiniti?

Nedavno sam razgovarao sa suosnivačima Ginkgo Bioworks Toma Knightom i Jasonom Kellyjem o budućnosti proizvodnje i kako će tajne biologije biti tajne otključavanja sljedeće industrijske revolucije.

Ginkgo Bioworks više je od biološke tvrtke - oni sastavljaju upute za upotrebu u čitavom prirodnom svijetu

Tl: dr: Biologija je nanotehnologija koja djeluje.

Ime Ginkgo stablo, Ginkgo Bioworks pokušava približiti industrijsku učinkovitost u biologiji i biološku učinkovitost industriji preispitujući kako je gotovo sve napravljeno.

Put suosnivača Toma Knight-a od računalnog hardvera do molekularne biologije dio je legende i presudan je za razumijevanje priče o Ginkgu. Knight je započeo višedecenijsku povezanost s MIT-om još u srednjoj školi, kada je pohađao neke od prvih satova računalnog programiranja i proveo ljeta u tada rođenom laboratoriju za umjetnu inteligenciju. Konačno je diplomirao na MIT fakultetu, gdje je radio na ARPANET-u - vrlo ranoj verziji interneta - i osnovao startapove za komercijalizaciju svojih računalnih izuma hardvera. Jedna od tvrtki koju je osnovao - Symbolics - imala je prvo registrirano ime domene .com i na kraju je izašla u javnost.

Dok je predavao tečaj dizajniranja integriranog kruga, Knight je pozvao svoje studente da predviđaju kraj Mooreovog zakona - princip rada koji će se računalna snaga udvostručiti otprilike svake dvije godine. Knight je vidio da je kraj tog tempa poboljšanja vrlo blizu i pitao se: "Što slijedi? Što radite na činjenici da se osnovna tehnologija, koja je osnova visokog performansi, privodi kraju? "

Počeo je loviti odgovor i pronašao ga u molekularnoj biologiji. S 50 godina, s doktoratom i desetljećima rada na najvišim razinama područja računalnog inženjerstva, vratio se u školu, počevši s razredom molekularne biologije na razini drugog razreda. Na kraju je osnovao laboratorij za molekularnu biologiju u odjelu informatike na MIT-u i počeo testirati svoju hipotezu o utjecaju biologije na rješavanje problema o kojima je ranije razmišljao koristeći silicij.

Kažu da je nužnost majka izuma, a Knight je naišao na potrebu: da pokrene svoje eksperimente na bakterijama uređenim genima (o čemu kasnije to kasnije) prvo je trebao stvoriti bakterije. Bilo je dugotrajan, ponavljajući rad, a njegov inženjerski mozak stvorio je epifaniju: moralo je postojati inženjersko rješenje za stvaranje bakterija uređenih genom na skalabilan i učinkovit način. U svojoj srži, njegova epifanija ukazala je na kritično pitanje: što razdvaja bio- i genetski inženjering od fizičkog inženjerstva? Što postaje moguće ako o njima razmišljamo na isti način?

Vitezova desetljeća računalnog i inženjerskog znanja primijenjena na relativno novo obrazovanje iz molekularne biologije dovela su do kritičkog uvida: primjena inženjerskog načina razmišljanja na proces otkrivanja - što omogućava brže i predvidivije inženjerske genome - dovela bi industrijsku mikrobiologiju do novih razmjera.

Moć bakterija

Ginkgo se usredotočuje na bakterije. Ispada da ako date malim prokariotima prave upute, oni mogu učiniti gotovo sve što biologija može.

"Kad razmišljamo o svim stvarima koje su nam potrebne u industriji - skladištenju energije, pretvaranju elektrona u kemikalije itd. - ispada da ima dosta bakterija koje su već riješile ove probleme", rekao mi je Knight.

Započnimo na početku: sve što se napravi u biološkom svijetu slijedi određeni recept, poput priručnika s uputama. Peptid A plus protein B plus fosfolipid C plus nukleinska kiselina D i voila, imate organizam (poput biljke), protein (poput keratina, ključnu strukturu koja čini našu kosu i vanjski sloj naše kože), ili mehanizam kemijske obrane (poput kofeina, na koji se biljke čine neprivlačnim za insekte, ali također pojačava našu spoznaju).

Izrada priručnika s uputama za bakterije - tisuće njih, razvijenih brzim inženjeringom i generiranjem prototipa nakon generacije bakterija koje su uređivale gene - učinkovit je, isplativ i skalabilan postupak za izradu biološkog materijala. Ovo je motivirajuća vizija ginka. Tom, Jason i njihov tim žele biti vrsta Foxconna za biologiju koja je u stanju proizvesti gotovo sve na svijetu jeftino, brzo i na globalnoj razini.

Knight je ponudio otvorenu analogiju: korisnost inženjerskih bioloških molekula „u mnogočemu je slična nekim od osnovnih motivacija tehnologije poput silicija, u svijetu poluvodiča. Tamo imate baznu tehnologiju, u slučaju silicija, mogućnost dizajniranja i uzoraka i napajanja poluvodičkih uređaja, vrlo složene. Tehnologija je agnostna za aplikaciju: mogli biste je koristiti za izradu mikroprocesora ili za automobile. Od nje možete napraviti televizore. Možete napraviti iPhone. "

"Jedna od stvari koju ovdje koristimo u Ginkgu je općenitost platforme", dodala je Kelly, "Dizajniramo biološke molekule bez posebne primjene na umu, znajući da ćemo tu tehnologiju koristiti u cjelini. razne industrije ", objasnio je Kelly.

Ginkgova generalizirana platforma učiniti će za biologiju ono što je laboratorij za proizvodnju napravio za svijet poluvodiča: otvoriti put automatiziranoj tehnološkoj proizvodnji.

„Općenito, možete uzeti biologiju koja je primjenjiva na domaćim životinjama i primijeniti je na biljke. Možete uzeti istu tehnologiju koja je primjenjiva u pravljenju piva i napraviti protutijela s njim ", objasnio je Kelly," jer se svi rade na istom operativnom sustavu - DNK. "

Ali što je sa svim tim naslovima? Budućnost proizvodnje? Biodesign? Bioweapons? DNK policajci? Sve iz bakterija?

Točno, sve od bakterija koje djeluju u skladu s visoko specijaliziranim priručnicima s uputama, razvijenim na skali prema modelu jedinstvenom za Ginkgo koji primjenjuje tehnološki inženjerski pristup u zadatku. Više o modelu malo, ali prvo su me Knight i Kelly proučili kroz nekoliko primjera onoga što je u tijeku.

Primjer br. 1: Malo Jurassic Park, Little Fern Gully, Little Bit Chanel №5

Jeste li se ikad zapitali kako cvijeće miriše na kredi? Da li biste kupili Eau de Fern slomljenu pod nogama tijekom kambriranja?

Koristeći se uzorcima iz Harvard Herbariuma, Ginkgo se nada da će stvoriti nove mirise za parfemere. Izvlačenjem DNK iz cvijeća koje je izumrlo stotinama godina, šifrirajući tu DNK u bakterijama i uzgajajući je u kvascu, vjeruju da mogu donijeti na tržište mirise koje nitko od živih ljudi nije mirisao.

Glavna prednost prelaska proizvodnje u bakterije je brzina. Koji je u industriji, naravno, isto što i trošak. Potrebni su mjeseci ili čak godine da narastu generacije biljaka, dok se generacije bakterija mogu stvoriti za manje od 30 minuta.

Čak i ako se ne osjećate mirisima iz viktorijanskog doba, sposobnost stvaranja mirisa genetskom manipulacijom bakterijama ima značajne posljedice. Bez njega, ako parfemer želi kupiti molekulu mirisa, oni moraju ovisiti o poljoprivrednicima da pokupe cijelu biljku. Jedna unce Chanela broj 5 zahtijeva više od tisuću cvjetova. Ekstrapolirajte da se svaki proizvod u svakoj industriji oslanja na mirise - od ruže vode do deterdženta do losiona i da, parfema - i to je puno usjeva. Oslanjanje na čitave biljke radi molekula mirisa je rasipno i ekološki skupo, a, priznajmo, tako zvuči 20. stoljeće, zar ne?

Ginkgo želi uskrsnuti drevne biljke za rijetke parfeme. Za 1 oz Chanel je potrebno oko 1.012 cvjetova!

„Ponekad ti usjevi iz nekih razloga ne rade tijekom određene godine. Dakle, ako ste parfemer i ovisite o toj kulturi, to može biti ozbiljan problem ", rekao je Knight.

Ali ako uzmete upute za uporabu mirisne kemikalije, stavite je u bakterije i na zahtjev ispisujete bilo kakvu kemijsku kemijsku formu - drevnu, modernu ili možda čak potpuno novu - upravo ste napravili revoluciju u industriji od milijardu dolara i uklonili potrebu za vode i svemirski usjevi.

Primjer br. 2: Sve samonikle biljke možemo učiniti u samoplodnim biljkama

Pomislimo na veće. Štedi-naš planet veći.

Jedan od vodećih projekata tvrtke Ginkgo, Joyn Bio, zajedničko je poduzeće s Bayerom koji je osmislio novu klasu bakterija koje učvršćuju dušik, a koje bi se vezivale za korijen kukuruza i pšenice i znatno smanjile njihovu potrebu za gnojivom.

Ideja je prenijeti mikrobne vještine s jedne vrste (recimo, soje, koja može uhvatiti svoj dušik preko bakterija koje žive u korijenu) na drugu biljnu vrstu (pšenicu i kukuruz, koji ne mogu uhvatiti vlastiti dušik), prevođenje upute za uporabu s jedne vrste na drugu.

Ako uspije, usjevi kukuruza i pšenice uskoro će se moći gnojiti i nadopunjavati tlo, uvelike smanjujući količinu potrebne energije i stakleničkih plinova koji se emitiraju za održavanje svjetske opskrbe hranom.

Primjer # 3: Biosigurnost zadovoljava nacionalnu sigurnost

Kao nuspojava što je najveći dizajner DNK na svijetu, Ginkgo ima veliku internu bazu dizajniranih DNK, koja im daje biblioteku sekvenci za usporedbu bilo kojeg novog nepoznatog niza u stanici, organizmu, virusu ili patogenu. Kao dio grupe u partnerstvu s IARPA-om, Ginkgo se nada da će moći odgovoriti na pitanja o bilo kojem novom tijelu ili DNK nizu vlasti ili zdravstvenog sektora, uključujući može li biti patogena (tj. Uzrokuje bolest), bez obzira na to nije li to "čovjek stvorio" ili može li biti opasno na neki drugi način.

Primjer # 4: Fantastično putovanje u tijelo moglo bi revolucionirati medicinu

Ista ideja - izmjena priručnika s uputama - iza proizvodnje prilagođenih ili drevnih mirisa i modificiranih mikroba u tlu mogla bi se primijeniti i za izradu lijekova. Ginkgo u partnerstvu sa Synlogicom istražuje kako bakterije iz crijeva mogu modulirati poremećaje i tijela i uma. Kao što je projekt Joyn Bio o inženjerskim mikrobima koji žive s biljkama, tako je i ovaj inženjerski mikrobi koji žive u crijevima. Ginko će jednog dana moći pretvoriti naše bakterije iz crijeva u farmaceutske tvornice - u kojima je moguće, na zahtjev, ispisati bilo koji lijek iz tijela.

"To bismo mogli učiniti tako što ćemo, opet, kopirati ono što se može izvući iz postrojenja i premjestiti tu sposobnost proizvodnje u kvas ili bakterije", rekao je Knight.

Inženjer fermentacije Ginkgo Bioworks Kar Mun Neoh radi u Bioworks2. Kreditna slika: Ginkgo Bioworks

Razlika ginka

Mogućnosti su izvanredne. Tako je i Ginkgo model koji potencijal pretvara u stvarnost. Korisno je razumjeti kako se razlikuju od tipičnih biotehničkih tvrtki.

Proces industrijskog standarda ide ovako: prvo, potpišite ugovor za izradu određenog spoja, za određenu svrhu. Zatim zaposlite vojsku molekularnih biologa i smjestite ih u laboratorijske klupe gdje dizajniraju i testiraju genetske putove. Ako ste angažirali stvarno dobre molekularne biologe, oni će možda biti u mogućnosti da brzo dizajniraju, sastave i testiraju pola tuceta i pronađu jedan ili dva koji rade za specifične svrhe na koje love.

Ginkgo okreće taj proces zahvaljujući Tomu i Jasonu inženjerskom razmišljanju. Ginko djeluje mnogo više kao u svijetu silicija - oni biologiju tretiraju kao ishoda-agnostičku tehnologiju, a ne kao ograničenu taktiku specifičnu za svrhu.

U svakom trenutku, Ginkgo timovi rade na desecima projekata, proizvodeći puteve i organizme koji bi se mogli primijeniti u bilo koji broj specifičnih svrha. Sjećate se koliko je silicij agnostik bilo da napaja iphone ili automobil? Isto ovdje. Osnovna platforma bakterija, poučena na bezbroj načina, podjednako je agnabilna bilo da li napaja lijekove ili mirise ili korijen koji učvršćuje dušik? Ovako Ginkgo ima ogromnu biblioteku DNA koju sam opisao u primjeru 3. Ovo je tvornica bakterija.

Kad Ginkgo dobije novi projekt, ne moraju angažirati tim doktora znanosti koji će sjesti za radne stolove. Umjesto toga, osnivaju interni tim koji će tvornicu angažirati za brzi dizajn puteva, uređivanje gena, primjenjivanje na generacije bakterija ili kvasca te testiranje i analiza. Ako dizajnirani organizmi proizvode spoj koji traže, premještaju se u postrojenje koje ih stvara u razmjeru. Ako ne, oni mogu brzo ponoviti postupak.

"Dakle, na cijelom tom putu postoji skup timova koji nisu specifični za projekt, već više specifični za tehnologiju na potpuno isti način kao što biste našli u pogonu za proizvodnju poluvodiča gdje imate ljude koji su dobri u dizajniranju maski, a zatim ljudi koji su dobri u pečenju silikonskih rezina, a zatim još jedan skup ljudi koji su dobri narezati ih i pakirati ", primijetio je Knight.

Kelly je dodao: „Sada primijetite da je tim u svakoj fazi proizvodnje dobar u onome za što su odgovorni, i nema nikakve veze da li proizvode silikon za automobil ili mobitel. Slijed stvari koje učinite potpuno je isti, bez obzira na to što je krajnji proizvod. "

Ginkgo tim napravio je bioinžinjering „pravim inženjeringom“ - baš kako se Tom nadao.

Ginkgo je dizajn budućnosti

Zamolio sam Knighta da smisli malo znanstvene fantastike. Kakva će biti budućnost, zadužena za bioinstalaciju Ginkgo?

Knight je zamislio rast na polju prediktivne biologije, gdje dizajniranje može biti još učinkovitije simuliranjem hoće li djelovati različiti priručnici s uputama, u kojim organizmima i kada.

Izvan naših tijela koji ispisuju lijekove koji su nam potrebni, biljke za samooplodnju ili oživljavajuće mirise, što bismo mogli zamisliti? Dizajnerska stabla čiji su strukturni nacrti reprogramirani da prerastu u kućne oblike umjesto oblika trupaca? (Ulazim. Želim živjeti u gigantskoj kućici stabala.) Putevi napravljeni od betona za samoliječenje ?? Gotovo sve svjetske kemikalije i energija proizvode se u ogromnim, ekološkim, tihim i čistim silosima usred Amerike?

Kao što je Knight napomenuo, „Postavljati pitanje što će doći za sintetsku biologiju je kao pitati Bardeena, izumitelja tranzistora, da„ molim predvidite iPhone “1948. Ne možete to predvidjeti. Možete pretpostaviti što je danas važno, ali nemamo pojma za budućnost. "

Drugim riječima, nebo ... i zemlja, i mora, i čovječanstvo ... u biti, svijet je granica.