Инженер казва, че е открил начин да преодолее земната гравитация

Матю Пава, невро- и биотехнолог, започва научния си живот, изучавайки основите на човешкия мозък и как той обработва физиологични сигнали. Но след като завършва докторантурата си и получава стипендия в Националните здравни институти, той се премества в Lockheed Martin, където използва биологичните си познания, за да помогне на компанията да изгради екипи човек-машина. Докато е там, той ръководи проект, финансиран от DARPA, водещата организация за научноизследователска и развойна дейност на военните, пише Popular Machine.

„От доста рано знаех, че това е място, където искам да отида“, казва Пава за агенцията, към която в крайна сметка се присъединява като програмен мениджър през 2021 г. DARPA се стреми да измисля изследователски инициативи, които са на ръба на осъществимите, и Пава скоро си помисли, че има добра, макар и донякъде съмнителна, идея. Той наблюдаваше развитието в оптогенетиката, в която учените използват светлина, за да манипулират поведението на неврони или други клетки, и в синтетичната биология, в която учените могат по същество да проектират организми. И един ден си помисли: „Ами ако можехме да комбинираме тези две неща?“

Неговата идея? Да се даде възможност на биоинженерите лесно да идентифицират генетична последователност, която ще постигне нещо, което искат – например, да произведат дизайнерски протеини или пептиди – така че да могат да кодират тази последователност в светлинен модел, да я насочат към проектирана клетка и да имат инструмент в клетката, който да синтезира новата РНК или ДНК верига според кодираните инструкции. И в резултат на инструкциите в този нов генетичен материал, клетката в крайна сметка ще изпълни заповедите на инженера.

Виждате ли, ДНК и РНК са по същество клетъчни скриптове, които казват на клетките какво да правят и как да се държат. Обикновено редовете в този скрипт са написани от еволюцията. Но с появата на синтетичната биология е възможно да се генерират генетични последователности и да се програмират клетки. Но използването на обикновена светлина, вместо типични лабораторни инструменти, би могло да издигне това програмиране на следващото ниво. И точно това възнамерява да направи DARPA със своята програма за „генеративна оптогенетика“ или GO.

Ако няколкогодишната инициатива се окаже успешна, учените ще могат да насочват светлина, кодирана с инструкции, към клетка, предназначена да получава тази информация. След това светлината ще каже на инструмент в клетката да сглоби специфични генетични последователности. Оттам нататък възможностите изобилстват. Според описанието на програмата от DARPA, тази технология „би могла да отключи безпрецедентни възможности за персонализирани подобрения в здравето и представянето на военнослужещите, селското стопанство, биопроизводството и космическите изследвания“.

Но всеки път, когато си играете с ДНК и РНК, има потенциал за лоши действия. Според документите на самата DARPA, „рисковете включват както умишлена злоупотреба, като например синтез на заплашителни агенти, така и непредвидени последици, като например производството на вредни странични продукти или еволюционната адаптация на инженерни системи за преодоляване на мерките за ограничаване“.

Колкото и забавно да звучи всичко това, възможно ли е изобщо нещо от това?

3D принтер за генетичен код

Учените експериментират с генетичен материал и го създават от десетилетия, като първата клетка, изцяло контролирана от човешка ДНК, се появи преди повече от 15 години. Синтетичната ДНК и РНК далеч не са уникални за програмата GO на DARPA и вече съществуват в лаборатории и компании по целия свят. Те, казва Пава, са „основни за почти всички биотехнологии“.

РНК, например, се съдържа в някои ваксини, а компаниите използват генно инженерство, за да произвеждат биогориво. „Можем да използваме РНК и ДНК, защото те са по същество генетичният език в химическа молекула, който инструктира клетките да правят нови и полезни неща за нас“, казва Пава.

Но в момента тази полезност е ограничена. Учените трябва да проектират генетична последователност на компютър и след това да я произведат химически. Това, казва Пава, „склонни са да се справят с някои доста неприятни химични процеси, които наистина не могат да се направят навсякъде.“ След това учените трябва физически да доставят ДНК или РНК в клетките. Идеята зад GO е да се пропуснат тези физически и химични части.

Как? Пава не знае точно какво ще измислят екипите на DARPA – в момента от Flagship Labs 116, Калифорнийския университет в Санта Барбара, Conveyor Belt Industries, Вашингтонския университет, Принстънския университет и Колумбийския университет.

Но някои основни неща ще важат за всички. GO изисква клетки, предварително проектирани да реагират на светлина. И затова те ще бъдат вградени с това, което DARPA нарича „компилатор на нуклеинови киселини“ или NAC. Това е по същество 3D принтер за генетичен материал, поставен в клетка. Ако клетката има такъв принтер, можете да му изпратите „файлове“ – в този случай, светлинни модели, които съответстват на различни генетични бази. След това принтерът извлича тези бази в генетична последователност.

Ключът към GO обаче е създаването на този принтер – NAC – на първо място. Никой никога не е създавал NAC и не е ясно дали някой може. „Ако е възможно, не знам дали е възможно сега “, казва Пава.

Ако клетките можеха да съдържат свои собствени 3D ДНК принтери и по този начин да бъдат препрограмирани дистанционно, области като биопроизводството – използване на инженерни клетки за производство на специфични химични съединения – биха могли да станат по-ефективни. Същото би могло да се постигне и в селското стопанство, като се улесни отглеждането на растения, които са, например, устойчиви на опустошенията от изменението на климата.

И очевидно това би могло да помогне и отвъд Земята - в космоса. DARPA не е дала подробности за това приложение, но статия в npj Microgravity на Nature предполага, че курираните микроби биха могли да произвеждат химикали, необходими за лекарства и гориво, които астронавтите няма да е необходимо да носят със себе си; да бъдат част от система за животоподдържане; и да помагат на космонавтите да поддържат нормалния си микробиом.

Пава казва, че GO би засилила и фундаменталните биологични изследвания, позволявайки на учените бързо да програмират ДНК-то на клетките по различен начин и да видят какви промени се случват – и по този начин да разберат по-добре какво правят генетичните последователности на първо място. „ Това вероятно би било като заявление номер едно“, казва той, „което просто създава маховик за биологични открития.“

Какво е възможно да се обърка?

Може би най-изумителното е собственото изявление на DARPA, че резултатите от GO в бъдеще биха могли да бъдат полезни за представянето на бойците - предполагайки, че може би светлината някой ден би могла да помогне на войниците да бъдат по-добри, по-бързи, по-силни, по-смъртоносни или по-малко сънливи. Но Пава казва, че по-добър пример е защитата на бойците от неизвестни патогени и токсини, като им се дава един вид противоотрова веднага щом бъде разработена и валидирана контрамярка – без да е необходимо да се увеличава мащабът на фармацевтичното производство.

Други части на военните, като Изследователската лаборатория на ВВС , вече проучват как синтетичната биология може да оптимизира изтребителите.

Но опитът да се програмират хора със светлина от GO би бил като опит да се отпечата файл на пиано. Пианото няма да направи нищо. Нормалните човешки клетки, без NAC, изобщо не реагират на светлина. А клетките имат NAC, ако бяха вътре в човешкото тяло, нямаше да променят действителния генетичен код на никого. Инженерните клетки биха действали като изолирани фабрики, използвайки светлина, за да произвеждат специфична ДНК или РНК, за да изпълнят целенасочена задача, като например производството на ензим за заздравяване на рани.

За да повлияят на хората по някакъв начин, учените ще трябва да вкарат в тялото клетки, пълни с NAC, да ги накарат да оцелеят смислено и да бъдат някъде, където светлината може да ги достигне и програмира. „Това означава, че това трябва да бъде супер целенасочено и означава, че е малко вероятно да се мащабира заплаха, основана на използването на NAC за генетично програмиране на много хора“, казва Пава.

Пава казва, че трябва да се има предвид, че това е програма за фундаментални изследвания, с краткосрочно приложение в лабораторията за фундаментални биологични изследвания. „Това е очевидното незабавно приложение, защото напълно избягва голяма част от, не всички, но голяма част от регулаторните и свързаните със сигурността проблеми“, казва той. Основният национален интерес на DARPA за сигурност, според него, е да бъде с крачка пред биотехнологичните индустрии на други страни.

Но това не е непременно вярно в бъдеще и потенциалът за злоупотреба не може да бъде пренебрегнат, ако технологията попадне в грешни ръце – или ако „правилните“ ръце се окажат неетично настроени.

DARPA не е наивна в това отношение. И това е част от причината, поради която наема независими работни групи, които да обмислят регулаторните проблеми и рисковете за сигурността, които GO представлява. Те също така планират семинари, които да съберат екипите, работещи по програмата, независими изследователи и работните групи - за да обсъдят както напредъка, така и капаните. И вероятно да си дадат „петички“ един на друг, че са част от подготовката за един много добър научнофантастичен трилър.