Время живых машин. Биологическая революция в технологиях
Шрифт:
К концу войны МТИ, которым руководил Комптон, был на пути к тому, чтобы стать домом для одного из самых лучших физических факультетов в стране, известного растущим потенциалом в фундаментальной науке и занявшего свое место среди инженерных отделений МТИ, отвечающих мировым стандартам. Дав институту удвоенную силу – инженерного дела и физики – и выполнив свои обязанности по руководству, Комптон помог наметить план действий для развития Соединенных Штатов как державы, занявшей лидирующее положение в экономике и промышленности на несколько десятилетий после войны.
За этот период приобрела популярность электронная промышленность. Транзисторы заменили радиолампы, а позже кремниевые схемы заменили транзисторы, дав начало множеству открытий и устройств, распахнувших ворота в компьютерную эпоху. Хотя Комптон понимал, что компьютеры полностью изменят многие подходы к передаче информации и национальной обороне, он не мог предсказать, как технологии, которые он продвигал, создадут цифровой мир, в котором мы живем сегодня. Немногие это предвидели. Такова природа научных революций: они открывают мощные, не поддающиеся предсказаниям пути и предоставляют огромные возможности. Но Комптон сознавал, что сочетание физики и инженерного дела дает начало новой технической эпохе, и он делал все что мог – в МТИ, как советник правительства и публичная фигура, – чтобы быть уверенным: США останутся в выигрыше после этой революции.
Уже только благодаря этим достижениям Комптон занимает высокое положение как глубоко мыслящий творец технической и промышленной силы Америки после Второй мировой войны. Но за время работы в МТИ его замечательная прозорливость позволила увидеть приближение другой революции, а именно слияния биологии и инженерного дела.
Комптон говорил об этом слиянии [24] уже в 1936 г. в лекции под названием “Что физика может сделать для биологии и медицины?”, где рассказал о последних достижениях ядерной физики, в том числе о том, как новое поколение циклотронов делает возможным внедрение радиоактивных меток в вещества [25] . С такой меткой вещество можно отследить, когда оно становится частью молекулы и далее, когда молекула проходит через химические реакции и по метаболическим путям клетки или организма. Лекция побудила доктора Саула Герца задаться вопросом, может ли эта технология быть использована для изучения и поиска возможного лечения заболеваний щитовидной железы. Герц был главой отделения болезней щитовидной железы в Массачусетской больнице общего профиля и вместе с коллегами изучал усвоение йода щитовидной железой. Он спросил Комптона, нельзя ли сделать йод более радиоактивным. Герц понял, что тогда можно было бы проследить накопление йода в щитовидной железе. Это, в свою очередь, помогло бы диагностировать заболевания щитовидной железы и, возможно, избирательно убивать клетки опухолей для лечения гипертиреоза и рака щитовидной железы.
24
S. James Adelstein, “Robley Evans and What Physics Can Do for Medicine,” Cancer Biotherapy and Radiopharmaceuticals 16, no. 3 (2001): 179–85, http://doi.org/10.1089/10849780152389375.
25
Angela N. H. Creager, “Phosphorus-32 in the Phage Group: Radioisotopes as Historical Tracers of Molecular Biology,” Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 40, no. 1 (2009): 29–42, http://doi.org/10.1016/j.shpsc.2008.12.005.Phosphorus-32.
Мысль была великолепной, и Комптон увидел ее перспективы. Он связал Герца и его коллег-эндокринологов с физиками из МТИ, и вскоре команда осуществила эту идею, успешно пролечив ряд пациентов с помощью радиоактивного йода [26] . Это был один из первых примеров того, что сегодня мы называем “прецизионная медицина” [27] .
Комптон увидел потенциал в соединении биологии и инженерного дела и ожидал, что в конце концов оно станет таким же мощным, таким же социально и экономически значимым, как и слияние физики и машиностроения. Чтобы обучать студентов в этой области на стыке наук, в 1939 г. он создал учебную программу по биоинженерии [28] , а в 1942 г. изменил название факультета биологии [29] МТИ на факультет биологии и биоинженерии. Но Комптон значительно опережал свое время. Биологи тех дней еще даже не разработали “список комплектующих” для живых существ, подобный тому, который физики создали для материи. А без такого списка инженеры мало что могли сделать. Стесненный этой нехваткой инструментария, факультет биологии и биоинженерии не смог оправдать своего названия и в течение нескольких лет снова стал факультетом биологии.
26
S. Hertz, A. Roberts, and R. D. Evans, “Radioactive Iodine as an Indicator in the Study of Thyroid Physiology,” Proceedings of the Society for Experimental Bio-logy and Medicine 38 (1938): 510–13; S. Hertz and A. Roberts, “Radioactive Iodine in the Study of Thyroid Physiology: VII. The Use of Radioactive Iodine Thera-py in Hyperthyroidism,” Journal of the American Medical Association 131, no. 2 (1946): 81–86; Derek Bagley, “January 2016: Thyroid Month: The Saga of Radioiodine Therapy,” Endocrine News (January 2016); Frederic H. Fahey, Frederick D. Grant, and James H. Thrall, “Saul Hertz, MD, and the Birth of Radionuclide Therapy,” EJNMMI Physics 4, no. 1 (2017), http://doi.org/10.1186/s40658-017-0182-7.
27
Термин означает индивидуальный подход к лечению больных, противоположность лечению усредненного пациента. Методики лечения адаптируются под конкретного пациента, однако создание уникальных для него препаратов или методов не предполагается. – Прим. пер.
28
. MIT Reports to the President 73, no. 1 (1937): 19–113; Karl T. Compton and John W. M. Bunker, “The Genesis of a Curriculum in Biological Engineering,” Scientific Monthly 48, no. 1 (1939): 5–15.
29
. MIT Reports to the President 80, no. 1 (1944): 8.
К началу 1940-х гг. все внимание мирового сообщества сосредоточилось на Второй мировой войне. Необходимой наукой стала физика, а не биология. В военные годы Комптон чрезвычайно активно работал как ученый, администратор и публичная фигура. Он возглавлял американские исследования [30] по созданию радаров, синтетической резины, систем управления огнем, изучению теплового излучения; он возглавлял зарубежные программы Управления научных исследований и разработок (Office of Scientific Research and Development, OSRD); он был научным советником генерала Макартура, а в 1945 г. вошел в число восьми советников, назначенных, чтобы следить за использованием атомной бомбы президентом Трумэном.
30
Национальная академия наук, Кабинет министра внутренних дел, “Биографические воспоминания” – Biographical Memoirs, vol. 61 (Washington, DC: National Academy Press, 1992).
После окончания войны Комптон получил награды за все свои усилия в военное время. В 1946 г. Министерство обороны вручило ему самую высокую награду для гражданского лица – медаль “За заслуги”, за работу, способствовавшую “скорейшему прекращению военных действий”. На следующий год Национальная академия наук вручила Комптону медаль Марцеллуса Гартли за “огромные заслуги в применении научных достижений на благо общества”.
Эти две награды, как и многие другие, указывают на одну и ту же особенность в достижениях Комптона. Соединив физику и инженерное дело и обеспечив поддержку революции, которую принес этот союз, он помог не только закончить войну, но и начать новую эпоху американского процветания и возможностей. Инициативы Комптона дали нам потрясающий набор новых инструментов и технологий – не просто радио, телефоны, самолеты, телевизоры, радары и компьютеры, но и ядерную энергию, лазеры, магнитно-резонансную и компьютерную томографию (МРТ и КТ), ракеты, спутники, систему глобального позиционирования (GPS), интернет и смартфоны. Эти приборы и технологии так изменили наш мир, что мы и представить не можем без них свою жизнь.
Новые цифровые продукты и цифровая экономика [31] способны и дальше его изменять. Дав жизнь Большим данным, интернету вещей [32] и промышленному интернету, они создали возможность новых бизнес-моделей в розничной торговле (вспомните Amazon), гостиничном бизнесе (Airbnb) и транспорте (Lyft, Uber). Революция продолжается полным ходом, и, если бы Комптон все еще был с нами, он, безусловно, с восхищением бы наблюдал за ее плодами [33] .
31
Управление денежными и сырьевыми ресурсами, товарами и услугами компании электронным способом через интернет. – Прим. пер.
32
Вычислительная сеть физических объектов / “вещей”, оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней цифровой средой. – Прим. пер.
33
Janelle R. Thompson et al., “Genotypic Diversity within a Natural Coastal Bacterioplankton Population,” Science 307, no. 5713 (2005): 1311–13,Dikla Man-Aharonovich et al., “Diversity of Active Marine Picoeukaryotes in the Eastern Mediterranean Sea Unveiled Using Photosystem-II psbA Transcripts,” ISME Journal 4, no. 8 (2010):1044–52, http://doi.org/10.1038/ismej.2010.25.
Но, конечно, с не меньшим восхищением он бы узнал и о том, что другая революция, которую он начал, – слияние биологии и инженерного дела, – наконец началась.
Поступив на работу в МТИ, я с радостью узнала, как далеко продвинулись многие преподаватели по этой новой дороге. Инженеры института начали удивительными способами применять в своей работе биологические инструменты. Мартин Польц, инженер-эколог, использовал вычислительную геномику, чтобы найти популяцию планктона, поглощающую наибольшее количество оксида углерода из Мирового океана. Кристала Джонс Пратер, инженер-химик [34] , использовала микроорганизмы для создания новых веществ, например транспортного топлива и лекарств. Скотт Маналис, физик, ставший инженером-биологом [35] , внедрил высокочувствительный метод измерения, который разработал для того, чтобы взвешивать отдельные клетки и отслеживать их рост. А вдохновил их всех профессор института Роберт Лангер, который считается самым плодовитым биоинженером в мире [36] , получившим более 1000 патентов, как действующих, так и ожидающих решения, и являющимся основателем более 25 компаний.
34
Kristala Jones Prather et al., “Industrial Scale Production of Plasmid DNA for Vaccine and Gene Therapy: Plasmid Design, Production, and Purification,” Enzyme and Microbial Technology 33, no. 7 (2003): 865–83,00205-9; Kristala L. Jones Prather and Collin H. Martin, “De Novo Biosynthetic Pathways: Rational Design of Microbial Chemical Factories,” Current Opinion in Biotechnology 19, no. 5 (2008): 468–74,Micah J. Sheppard, Aditya M. Kunjapur, and Kristala L. J. Prather, “Modular and Selective Biosynthesis of Gasoline-Range Alkanes,” Metabolic Engineering 33 (2016): 28–40, http://doi.org/10.1016/j.ymben.2015.10.010.
35
Thomas P. Burg et al., “Weighing of Biomolecules, Single Cells and Single Nanoparticles in Fluid,” Nature 446, no. 7139 (2007): 1066–69,Nathan Cermak et al., “High-Throughput Measurement of Single-Cell Growth Rates Using Serial Microfluidic Mass Sensor Arrays,” Nature Biotechnology 34, no. 10 (2016): 1052–59,Arif E. Cetin et al., “Determining Therapeutic Susceptibility in Multiple Myeloma by Single-Cell Mass Accumulation,” Nature Communications 8, no. 1 (2017), http://doi.org/10.1038/s41467-017-01593-2.
36
Hannah Seligson, “Hatching Ideas, and Companies, by the Dozens at M.I.T.,” New York Times, November 24, 2012,Joel Brown, “MIT Scientist Robert Langer Talks about the Future of Research,” Boston Globe, May 8, 2015, http://www.bostonglobe.com/magazine/2015/05/08/mit-scientist-robert-langer-talks-about-future-research/I0ggn93cxapR8omjcrM1hI/story.htm.
Чем больше я узнавала о невероятных проектах в том новом “королевстве” – не только в МТИ, но и в лабораториях по всему миру, – тем больше убеждалась, что соединение биологии и инженерного дела может изменить мир. Поэтому я сделала это слияние одной из главных задач своего пребывания на посту президента, создавая ресурсы и места, чтобы она реализовалась в жизнь так быстро, как только возможно.
Это принесло свои плоды. Преподаватели факультета биологии, в состав которого входил Центр исследования рака, один из самых известных в стране, занимающийся фундаментальными биологическими исследованиями, объединились со своими коллегами-инженерами и основали на базе МТИ Институт интегративных исследований рака имени Дэвида Кока. Эта организация представляет собой потрясающее соединение инженеров, врачей и биологов, работающих вместе с 2007 г., чтобы по-новому понимать, диагностировать и лечить рак и другие заболевания. Из Института Кока вышли десятки компаний, многие из которых производят биоинженерные продукты, проходящие в данный момент клинические исследования: наночастицы, внедряющиеся в раковые клетки, чтобы доставлять химиотерапевтический препарат непосредственно в те места, где он необходим; технологии формирования изображений, позволяющие хирургу более точно определить и удалить раковые клетки; стратегии определения возбудителей инфекционных заболеваний, которые будут намного эффективнее, чем современные методы, так что своевременное назначение необходимого лекарства сможет спасти бессчетное количество жизней. Подобным же образом мы начали в институте Энергетическую инициативу, ускоряющую разработку новых технологий, связанных с энергией. Во многих из них используются биологические компоненты. За свои первые 10 лет Энергетическая инициатива породила около 60 компаний, которые разрабатывают новые аккумуляторы, новые солнечные батареи и новые системы управления производством и передачей энергии.
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.