Я изучала биологию, еще будучи студенткой, но это было за годы до того, как молекулярная биология и геномика захватили науку. Проходя постдипломное обучение[16 - Постдипломное обучение – эквивалент аспирантуры в России. По его окончании присуждается степень PhD (лат. Philosophiae Doctor, доктор философии), соответствующая российской степени кандидата наук. – Прим. науч. ред.], я решила специализироваться на нейроанатомии, изучающей строение, развитие и функциональную организацию нервной системы. Красота архитектуры мозга завораживала меня. Используя самые передовые методы, доступные в то время, я изучала нервные клетки и их изысканно-сложные взаимосвязи. Я исследовала, как эти клетки взаимодействуют в процессе развития высокоорганизованных структур, которые дают нам возможность видеть, слышать, думать и мечтать. И я узнавала, как ранний опыт может навсегда изменить и структуру, и биохимию мозга. Но тогда я не могла увидеть более фундаментальные структурные элементы, а именно белки и другие молекулы – механизм работы мозга. Молекулярная биология еще не добралась до нейронауки.
Вскоре после получения степени PhD мне выпала редкая удача получить место в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор Джеймса Уотсона, одного из первооткрывателей структуры ДНК. Там я узнала, как биологи, работающие в других отраслях науки, используют молекулярную биологию, чтобы показать, как гены влияют на деятельность всех живых организмов, как растений, так и животных. Вирус гриппа, тина в пруду, тюльпаны, яблони, бабочки, дождевые черви, лососи, щенки гончих, люди – молекулярные биологи доказали, что все эти организмы состоят из одного набора биологических структурных элементов.
Далеко опережая большинство других ученых, Уотсон уловил, что идеи и инструментарий молекулярной биологии могут совершить революцию в изучении всего живого. Он понимал, что у этой научной области есть сила превратить биологию из науки, являющейся результатом наблюдений, в науку прогнозирующую. Под его руководством ученые из Колд-Спринг-Харбор добились успехов в молекулярной биологии, открыв механизмы, управляющие вирусами и дрожжами, а затем использовав те же методы, чтобы понять работу клеток, взятых у животных и выращенных в лаборатории. Задолго до появления необходимых технологий Уотсон также предвидел возможность[17 - Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, Molecular Neurobiology, XLVIII, C. S. H. Laboratory, 1983.] того, что инструментарий молекулярной биологии может дать ответы на многие загадки мозга.
Эта возможность пленяла меня. Когда я начала работать в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, нейронаука оставалась одной из последних биологических наук, которые сопротивлялись радикально новым открытиям молекулярной биологии. Я пошла поперек главного направления нейробиологии и присоединилась к горстке предприимчивых ученых, которые воспользовались инструментарием молекулярной биологии и стали основателями новой области – молекулярной нейробиологии.
Даже интеллектуальные революции сопряжены с опасностями и сеющими раздор силами. Сражение за новый подход к нейронауке поставило под удар наши гранты, места работы и карьеру. Яростные споры превращали чопорные заседания в рассадники тайной ненависти. В одном споре на международном совещании ученые, изучавшие человеческий мозг, схлестнулись с теми, кто занимался нервной системой насекомых. Столкновение возникло из-за вопроса, могут ли знания о насекомых пролить свет на происходящее с людьми. В своей основе это был спор о молекулярных механизмах эволюции. И по правде говоря, он скорее представлял из себя неприглядную сцену в духе “кто кого перекричит”, а не научный спор, поскольку у нас еще не было “комплектовочной ведомости” нервной системы, чтобы можно было окончательно и бесповоротно сравнить ее у насекомых и людей. Мы не знали ничего о ее генах и не могли проследить их экспрессию[18 - Процесс реализации генетической информации, которую несет данный ген, – синтез на его основе РНК с возможностью последующего синтеза белка. – Прим. науч. ред.] в процессе развития нервной системы.
Наша маленькая группа ренегатов, наша “банда” пионеров молекулярной биологии постепенно брала верх, и начатое нами движение вырастало в крупную силу, которая, объединив классические исследования мозга и инструментарий молекулярной биологии, изменила нейронауку, позволив сделать открытия, ранее просто немыслимые и объясняющие, как работает мозг, а также открывающие новые стратегии клинических вмешательств. Благодаря этим прорывам в молекулярной биологии сегодня у нас есть новые способы диагностировать и лечить заболевания мозга, которые еще несколько десятилетий назад считались трудно контролируемыми. Среди них эпилепсия, нарушения развития нервной системы, инсульт и воспалительные заболевания, такие как рассеянный склероз. Кроме того, есть причины надеяться на новые открытия, касающиеся множества все еще неизлечимых болезней, в том числе болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний.
Невозможно описать, насколько потрясающе было участвовать в научной революции, которая свела вместе такие разные дисциплины и идеи. Живя и работая в то время, я стала участницей и сторонницей того, о чем теперь думаю как о “сходящемся” подходе к открытиям.
? ? ?
Мое избрание президентом МТИ не было первым случаем, когда выбор пал на весьма неожиданного кандидата. Еще в 1930 г., в разгар Великой депрессии, во главе МТИ встал Карл Тэйлор Комптон, физик из Принстона.
Оглядываясь назад, можно сказать, что назначение Комптона выглядит вполне естественным, даже очевидным, но в те времена оно потрясло многих людей как нарушение традиции. Сам Комптон позднее говорил, что оно стало самой большой неожиданностью в его жизни. С момента основания в 1865 г. физика в МТИ считалась частью основной деятельности учебного заведения, но репутация института была связана не с научными исследованиями, но с успехами в технических областях. Люди знали МТИ как место, где готовят инженеров, создающих инструменты и технику, которые могут содействовать индустриальной эпохе. Студент МТИ мог, скорее, ожидать, что его будут готовить к работе в химической промышленности или в зарождающейся отрасли электроники.
Комптон принадлежал к совершенно иной вселенной. В Принстоне он возглавлял отделение физики и руководил прославленной по всей стране физической лабораторией Палмера. Он уделял большое внимание атомной физике – потрясающей области с еще не известным потенциалом, появившейся всего поколение назад. Отделение физики в Принстоне занималось фундаментальной наукой, создавая основание для технологий, за которыми гнались другие.
В начале ХХ в. можно было наблюдать потрясающее превращение фундаментальных открытий науки в продукцию на рынке. После открытия составных элементов атома и их сил появилась дорога в совершенно новую область – электронную промышленность. Путь от открытия физических основ до их применения в полезных продуктах был и остается трудным и непредсказуемым. Немногие университеты занимались одновременно открытиями и их применением (наукой и инженерным делом), и всего несколько компаний – в основном известна AT&T со своими лабораториями Белла – вкладывали средства и в фундаментальные открытия, и в разработку новых продуктов.
В 1897 г. великий физик Дж. Дж. Томсон[19 - Joseph John Thomson, “XL. Cathode Rays,” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 44, no. 269 (1897): 293–316, http://doi.org/10.1080/14786449708621070 (http://doi.org/10.1080/14786449708621070).] определил электрон как частицу, обладающую отрицательным электрическим зарядом. Он и другие физики его поколения, среди которых были Пьер и Мария Кюри, Вильгельм Рентген и Эрнест Резерфорд[20 - Ernest Rutherford, “LXXIX. The Scattering of ? and ? Particles by Matter and the Structure of the Atom,” Philosophical Magazine Series 6, 21, no. 125 (1911): 669–88, http://doi.org/10.1080/14786440508637080 (http://doi.org/10.1080/14786440508637080); Otto Glasser, “W. C. Roentgen and the Discovery of the Roentgen Rays,” American Journal of Roentgenology 165 (1995): 1033–40; R. F. Mould, “Marie and Pierre Curie and Radium: History, Mystery, and Discovery,” Medical Physics 26, no. 9 (1999): 1766–72, http://doi.org/10.1118/1.598680 (http://doi.org/10.1118/1.598680).], заложили фундамент для моделирования элементарных частиц, из которых состоит материя. Хотя каждый из них шел своим путем, вместе они помогли собрать “спецификацию” компонентов, составляющих физический мир и управляющих всем его поведением: протонов и нейтронов атомного ядра, которые окружает облако электронов.
Составив этот список, а также обнаружив ряд законов, управляющих их поведением, физики той эпохи начали работать с инженерами. Этот мощный союз привел к созданию новых устройств: лампы накаливания, радио, телевизора, телефона и даже электрического освещения домов и целых городов. Так родилась электронная промышленность, которая стала привлекать для работы тысячи людей и обеспечила экономический рост страны. Сегодня в нашем цифровом компьютеризированном мире мы продолжаем наслаждаться плодами тех открытий и сочетанием физики и инженерного дела.
К 1930 г. в МТИ решили, что нужно усилить позиции в этой игре, улучшив качество научного отдела. Позднее, вспоминая о своих чувствах в тот момент, один из сотрудников физического факультета писал: “Мы пробуждались, чтобы увидеть новый мир[21 - Национальная академия наук, Кабинет министра внутренних дел, “Биографические воспоминания” – Biographical Memoirs, vol. 61 (Washington, DC: National Academy Press, 1992).] – мир науки в фундаментальном понимании, который практически полностью отсутствовал в то время в институте, – и осознать, как современная наука может изменить инженерное дело будущего”. Со своим свежим пониманием этого будущего и только что обретенным слиянием физики и инженерного дела МТИ обратился к Комптону и предложил ему президентство.
Поначалу застигнутый врасплох, Комптон не горел желанием покидать своих студентов и работу в Принстоне. Но в конце концов он пришел к той же мысли, что и я 74 года спустя, – о том, что появилось предложение всей жизни. “Значительность этой возможности помочь науке воплотиться в инженерном образовании, – говорил он в интервью в студенческой газете The Daily Princetonian[22 - Национальная академия наук, Кабинет министра внутренних дел, “Биографические воспоминания” – Biographical Memoirs, vol. 61 (Washington, DC: National Academy Press, 1992).], – налагает обязательства, которые оказываются выше всех других соображений”.
? ? ?
С самого начала президентства Комптон посвятил себя развитию интеграции физики и инженерного дела в МТИ. Он воспользовался девизом института и определил, что лучший способ добиваться практических решений в инженерном деле и науке – это поощрять высокий уровень междисциплинарного сотрудничества. Таким образом, за много десятилетий до меня он использовал встречный подход к открытиям и новым изобретениям.
Технические запросы во время Второй мировой войны, которую иногда называют “войной физиков”, еще сильнее сблизили инженерное дело и науку. И в этом процессе важную роль сыграл Комптон. В 1933 г., признавая его способности как ученого и управленца, президент Франклин Рузвельт назначил Комптона главой недавно образованного Научно-консультативного совета, который в 1940 г. стал Национальным исследовательским комитетом по вопросам обороны (National Defense Research Committee, NDRC). Как глава комитета Комптон помогал организовывать развитие таких технических новшеств, как радар, реактивный двигатель и цифровые вычислительные машины, которые вместе со множеством других технологий оказались жизненно важными для победы, в конце концов одержанной союзниками. Например, Радиационная лаборатория[23 - T. A. Saad, “The Story of the M.I.T. Radiation Laboratory,” IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine (October 1990): 46–51.], созданная в МТИ с помощью Комптона, собрала почти 3500 человек – ученых, инженеров, лингвистов, экономистов и других, которые в беспрецедентном сотрудничестве изобрели, сконструировали и построили радары – “технологию, позволившую победить в войне”.
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 - 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 (http://doi.org/10.1089/10849780152389375).] 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 - 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 (http://doi.org/10.1016/j.shpsc.2008.12.005.Phosphorus-32).]. 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.
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 - 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 (http://doi.org/10.1186/s40658-017-0182-7).]. Это был один из первых примеров того, что сегодня мы называем “прецизионная медицина”[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.].
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 - . 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.], а в 1942 г. изменил название факультета биологии[29 - . MIT Reports to the President 80, no. 1 (1944): 8.] 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.
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 - Национальная академия наук, Кабинет министра внутренних дел, “Биографические воспоминания” – Biographical Memoirs, vol. 61 (Washington, DC: National Academy Press, 1992).] 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.
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 - Управление денежными и сырьевыми ресурсами, товарами и услугами компании электронным способом через интернет. – Прим. пер.] способны и дальше его изменять. Дав жизнь Большим данным, интернету вещей[32 - Вычислительная сеть физических объектов / “вещей”, оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней цифровой средой. – Прим. пер.] 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 - Janelle R. Thompson et al., “Genotypic Diversity within a Natural Coastal Bacterioplankton Population,” Science 307, no. 5713 (2005): 1311–13, http://doi.org/10.1126/science.1106028 (http://doi.org/10.1126/science.1106028); 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 (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 - 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, http://doi.org/10.1016/S0141-0229(03)00205-9 (http://doi.org/10.1016/S0141-0229(03)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, http://doi.org/10.1016/j.copbio.2008.07.009 (http://doi.org/10.1016/j.copbio.2008.07.009); 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 (http://doi.org/10.1016/j.ymben.2015.10.010).], использовала микроорганизмы для создания новых веществ, например транспортного топлива и лекарств. Скотт Маналис, физик, ставший инженером-биологом[35 - Thomas P. Burg et al., “Weighing of Biomolecules, Single Cells and Single Nanoparticles in Fluid,” Nature 446, no. 7139 (2007): 1066–69, http://doi.org/10.1038/nature05741 (http://doi.org/10.1038/nature05741); 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, http://doi.org/10.1038/nbt.3666 (http://doi.org/10.1038/nbt.3666); 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 (http://doi.org/10.1038/s41467-017-01593-2).], 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 - Hannah Seligson, “Hatching Ideas, and Companies, by the Dozens at M.I.T.,” New York Times, November 24, 2012, http://www.nytimes.com/2012/11/25/business/mit-lab-hatches-ideas-and-companies-by-the-dozens.html (http://www.nytimes.com/2012/11/25/business/mit-lab-hatches-ideas-and-companies-by-the-dozens.html); 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 (http://www.bostonglobe.com/magazine/2015/05/08/mit-scientist-robert-langertalks-about-future-research/I0ggn93cxapR8omjcrM1hI/story.htm).], получившим более 1000 патентов, как действующих, так и ожидающих решения, и являющимся основателем более 25 компаний.
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.
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.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/suzan-hokfild/vremya-zhivyh-mashin-biologicheskaya-revoluciya-v-tehnologiy/?lfrom=174836202) на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Сноски
1
Обозначение для преподавателей, которые в связи с преклонным возрастом освобождены от исполнения своих ежедневных обязанностей. – Прим. пер.
2
P. Sharp, T. Jacks, and S. Hockfield, “Capitalizing on Convergence for Health Care,” Science 352, no. 6293 (2016): 1522–1523, http://doi.org/10.1126/science.aag2350 (http://doi.org/10.1126/science.aag2350); Phillip Sharp and Susan Hockfield, “Convergence: The Future of Health,” Science 355, no. 6325 (2017): 589, http://doi.org/10.1126/science.aam8563 (http://doi.org/10.1126/science.aam8563).
3
Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН, демографический отдел “Перспективы мировой урбанизации, редакция 2018 г.”, 2018, http://population.un.org/wup/DataQuery (http://population.un.org/wup/DataQuery).
4
Chunwu Zhu et al.,“Carbon Dioxide (CO
) Levels This Century Will Alter the Protein, Micronutrients, and Vitamin Content of Rice Grains with Potential Health Consequences for the Poorest Rice-Dependent Countries,” Science Advances 4, no. 5 (2018): 1–8, http://doi.org/10.1126/sciadv.aaq1012 (http://doi.org/10.1126/sciadv.aaq1012).
5
John A. Church and Neil J. White, “A 20th Century Acceleration in Global Sea-Level Rise,” Geophysical Research Letters 33, no. 1 (2006): 94–97, http://doi.org/10.1029/2005GL024826 (http://doi.org/10.1029/2005GL024826); Benjamin D. Santer et al., “Tropospheric Warming over the Past Two Decades,” Scientific Reports 7, no. 1 (2017): 3–8, http://doi.org/10.1038/s41598-017-02520-7 (http://doi.org/10.1038/s41598-017-02520-7).
6
Мальтус Т. Р. Опыт о законе народонаселения. – Петрозаводск: Петроком, 1993.
7
Комплексный проект учета численности народонаселения Великобритании. Последнее изменение – май 29, 2015, http://www.freecen.org.uk (http://www.freecen.org.uk/).
8
Mark Overton, Agricultural Revolution in England: The Transformation of the Agrarian Economy (Cambridge: Cambridge University Press, 1996); Robert C. Allen, “Tracking the Agricultural Revolution in England,” Economic History Review 52, no. 2 (1999): 209–35, http://doi.org/10.1111/1468-0289.00123 (http://doi.org/10.1111/1468-0289.00123).
9
Susan Hockfield, “The Next Innovation Revolution,” Science 323, no. 5918 (2009): 1147, http://doi.org/10.1126/science.1170834 (http://doi.org/10.1126/science.1170834); Susan Hockfield, “A New Century’s New Technologies,” Project Syndicate (2015), http://www.project-syndicate.org/commentary/engineering-biotech-innovations-by-susan-hockfield-2015–01 (http://www.project-syndicate.org/commentary/engineering-biotech-innovations-by-susan-hockfield-2015-01).
10
