През последните години информационните технологии в такава степен превзеха света на иновациите, че някои хора почти забравиха, че има и други сфери на науката и технологиите. При това – не по-малко впечатляващи и с потенциал да променят живота ни дори още повече от дигитализацията. Kакво ще кажете например за компютри, изградени от човешки неврони? Или дори – за създаване на изкуствен живот? Това е само малка част от обещанията на биотехнологиите.

Мащабът им кара мнозина да прогнозират, че през следващите няколко десетилетия ще наблюдаваме в сферата на науките за живота прогрес, който няма да отстъпва на този, който вече виждаме при информационните технологии и телекомуникациите. А в основата на тези очаквания е една концепция, която напоследък се налага като движеща сила в този динамичен сегмент – възприемането на

инженерен подход към живите организми

Той е на път да превърне живота в поредното поле на иновация, стандартизация, както и на създаването на продукти за масова употреба, каквито не сме виждали никога преди.

Възприемането на живите същества като машини може и да звучи футуристично, но тази концепция всъщност далеч не е толкова нова. Още в края на четиридесетте години на миналия век брилянтният американски физик Джон Фон Нойман дефинира своята идея за самовъзпроизвеждаща се машина, която би могла да обхване както компютърните вируси и молекулярните наноасемблери, така и живите организми, разглеждани като машини. Още по-назад във времето в един от първите научнофантастични романи – „Франкенщайн“ – се говори именно за изкуствено създадено живо същество. При това – точно сто години преди Карел Чапек да въведе понятието „робот“ в своето произведение R.U.R. Т.е. биологичните машини изпреварват идеята за механичните роботи в литературата с един век.

Извън фантастиката

обаче, за да можем да разглеждаме живите организми като машини, е нужно да бъдат въведени редица инженерни принципи. В книгата си „(Пре)програмиране на живота“ д-р Невена Иванова включва сред тези принципи базата от технически познания, предварителния дизайн, наличието на абстракция, на стандартизация, отделянето на процеса на проектиране от производството, както и наличието на технически спецификации. Включването на тези принципи в биотехнологиите променя гледната точка към живите организми, като ги превръща от обекти на еволюция, в отправна точка за интелигентни промени. И има потенциала изцяло да предефинира понятието живот.

В следващите редове ще опишем някои от най-впечатляващите (и плашещи) сфери на биотехнологиите, които тепърва ще се окажат в светлините на прожекторите и вероятно ще са новите „рок звезди“ в света на иновациите.

Синтетичната биология

Това е научна област, която комбинира биология, инженерство, компютърни науки, химия и други сфери на познанието с цел ни повече, ни по-малко от това да създаде изкуствен живот. Или поне – да промени съществуващите живи организми. Използват се различни методи за създаване на нови ДНК последователности, които могат да бъдат вкарани в съществуващи организми – например бактерии, дрожди или дори клетки от по-висши организми.

Някои от най-влиятелните университети и биотех компании вече работят в тази сфера, а първите изкуствено създадени живи организми отдавна са факт. Пионер в областта е Джей Крейг Вентър, известен преди това с проекта за картографиране на човешкия геном. През 2010 г. той представи напълно синтетичен геном, който контролира жива клетка.

Важен фактор за развитието на този сегмент е процесът на стандартизация на биологични компоненти, които в тези среди се наричат biobricks. Няколко организации вече дори поддържат публични библиотеки от такива компоненти, най-популярната сред които е Регистърът на стандартните биологични части на International Genetically Engineered Machine (iGEM) Foundation.

Синтетичната биология може да окаже влияние на огромен брой сегменти – от медицината, където изкуствено създадени бактерии могат да произвеждат лекарства или да откриват заболявания, през земеделието и хранително-вкусовата промишленост до опазването на околната среда – област, в която вече се тестват различни изменени микроорганизми, които могат успешно да разграждат токсични вещества.

Дори в строителството вече има експерименти с „живи“ материали, които в бъдеще ще могат сами да изграждат, а след това и да променят сградите около нас.

Обещанията на синтетичната биология са много, но потенциалните заплахи също не са по-малко. Мнозина вече се питат дали – ако човечеството овладее тази технология и започне масово да изгражда нови организми – няма да отворим своеобразна „кутия на Пандора“, чиито последствия за обществото не можем дори да си представим. А също и – какво ще стане, ако шепа корпорации успеят да установят контрол върху този нов сегмент. Представете си една футуристична версия на днешните big tech компании, която обаче вместо вашата информация и комуникации контролира храната и здравето ви. Ако този сценарий ви се вижда прекалено фантастичен, ще припомня, че преди малко повече от десет години в САЩ вече имаше опит да бъде узаконено патентоването на гени и Върховният съд го спря, след ожесточени обществени дискусии.

Органите върху чип

Organs-on-a-chip е друга перспективна концепция, която обединява науките за живота, инженерния подход и информационните технологии. Става въпрос за миниатюрни устройства, които имитират структурата и функцията на човешки органи. Те включват гъвкави микрочипове с размер около няколко сантиметра, живи човешки клетки, разположени в триизмерна структура, както и системи от своеобразни микроканали, през които протичат течности, наподобяващи кръвта или други телесни флуиди.

Така изградената система може да симулира функциите на различни тъкани или органи, позволявайки на научни екипи да тестват върху нея лекарства или да извършват различни научни експерименти. По този начин учените могат да извършват наблюдение в реално време на реакцията на клетките към лекарства, токсини и вируси, но без да бъдат използвани за целта истински животни или хора.

Вече има organ-on-a-chip системи, които симулират бели дробове, черен дроб, сърце, мозък и други органи. Освен че този подход елиминира нуждата от тестове върху животни – една изключително нелицеприятна страна на науката, – той спомага и за развитието на много по-персонализирана медицина, защото могат да бъдат използвани клетките от конкретен пациент, за да се тества ефектът от дадено лекарство индивидуално. В добавка органите върху чип могат да понижат цената на тестването на нови лекарства и да намалят сроковете за пускането им на пазара. В бъдеще се очаква от organs-on-a-chip да се премине към т.нар. body-on-a-chip – цялостна система, обединяваща няколко органа върху един чип.

Невралните интерфейси

В края на 2021 г. една американска компания впечатли света, представяйки система, позволяваща управлението на летящ дрон само с мисъл. Технологията зад това е т.нар. Brain – Computer Interface (Интерфейс мозък – компютър), или неврален интерфейс, който позволява пряка комуникация между мозъка и външни устройства – компютри, протези, машини и други. Невралният интерфейс улавя електрическата активност на мозъка, обработва я и я използва за управление на устройство без нужда от мускулно движение или говор.

Инвазивен срещу неинвазивен подход

В тази перспективна област вече е навлязъл не кой да е, а Илън Мъск със своя стартъп Neuralink, който към момента е имплантирал чипове в мозъците на няколко свои пациенти. Подходът на компанията е т.нар. „инвазивен“ неврален интерфейс, при който информацията от невроните в мозъка е много по-прецизна, но се налага оперативно да бъде вкаран чип в главата на пациента.

Друг тип интерфейс „мозък – машина“ е неинвазивният, при който на главата се поставят EEG устройства. Това е много по-безопасно, но и сигналите не са толкова прецизни. Аз самият съм изпробвал два пъти подобна технология, като първия път успях да придвижвам различни обекти на екрана на компютъра, мислейки за посоката, в която искам те да отидат. Вторият път с колега журналист имахме възможност да се състезаваме с миниатюрни автомобили, задвижвани с мисъл, по време на Световния мобилен конгрес в Барселона, но и двамата почти не успяхме да ги помръднем.

Невралните интерфейси могат да помогнат на парализирани пациенти да управляват с мисълта си роботизирани крайници или курсор на екрана на компютъра. Те могат да имат приложение и при кохлеарните импланти, както и в лечението на епилепсия, депресия, болестта на Паркинсон и други. Управлението на роботи и дронове е по-малко популярна опция, която обаче също би могла да се развие в бъдеще.

Отглеждането на човешки органи в прасета

Тази иновативна област на биотехнологиите също се развива с бързи темпове и вече няколко компании в Европа и САЩ имат подобни ферми. Макар и да звучи ужасяващо, целта всъщност си заслужава – съвременното общество изпитва сериозен недостиг на донорски органи и възможността да се отглеждат готови за трансплантация органи в прасета или овце би могла да спаси много човешки животи.

Освен потенциално неограничен източник на органи тази технология може да спомогне за по-краткото време за трансплантация, което при голям брой пациенти е решаващо за успеха на операцията. В добавка тя може да ограничи и нелегалната търговия с органи.

Изборът на прасета е обусловен от факта, че техните органи имат сходен размер и анатомия с тези на хората. Освен това тези бозайници се размножават бързо и се отглеждат лесно, а рискът от вируси при тях е по-малък в сравнение с други животински видове.

Процесът включва генетична модификация на прасета, за да се създадат условия, при които в техните тела могат да се развият човешки органи, съвместими с имунната система на реципиента. Целта е тези органи да бъдат трансплантирани в хора, без да бъдат отхвърлени от организма им. Вариантите са или предварително прасетата да бъдат генетично модифицирани с цел премахването на специфични гени, които предизвикват имунна реакция при хората, или да бъде използвана технологията CRISPR/Cas9, за да се променят гените в ембриона на прасето, за да се предотврати образуването на определен орган и след това да бъдат добавени в него човешки стволови клетки, които да изградят човешки такъв.

Досегашните опити обаче не са успешни и все още е рано да се прогнозира дали и кога този подход ще може да бъде използван в болниците. През 2022 г. например учени от Университета в Мериленд извършиха трансплантация на сърце от генетично модифицирано прасе в човек. Пациентът обаче живя едва около два месеца.

Биороботи

Така наречените ксеноботи (xenobots) са първите по рода си роботи, създадени от живи организми. Разработени са от изследователски екип от Университета на Върмонт (САЩ), Университета „Тъфтс“ и Института „Харвард Уайс“. Обектите отговарят на определението за робот, но за разлика от всички останали подобни машини, те не са направени от метал или пластмаса, а от живи клетки, взети от жаба – по-конкретно от вида Xenopus laevis, откъдето идва и името им.

Взети са два вида жабешки клетки – епителни клетки (от кожата), които осигуряват структурата, и клетки от сърдечна тъкан, които извършват движението чрез ритмично свиване. Ксеноботите са сглобени по компютърно генериран дизайн, създаден чрез еволюционни алгоритми, които симулират милиони възможни форми и функции, докато се намери оптималната.

Те са способни да се движат, да транспортират други обекти, дори да работят в групи и да се самолекуват. Още по-любопитно е, че могат да се самовъзпроизвеждат само като събират около себе си клетки, изграждайки на практика своеобразни „потомци“. Ксеноботите могат да бъдат използвани за пренасяне на лекарства в човешкото тяло, както и за почистване на артериални плаки. Те могат също да събират микропластмаси от замърсена вода, както и да извършват разнообразни дейности в екологията, медицината и други обществени сфери. Още със създаването им възникна и етичният въпрос „Живи ли са всъщност?“. Критиците на проекта поставят и други въпроси – например безопасно ли е да се създават подобни „живи роботи“ и какво би се случило, ако те бъдат изпуснати в природата. Още едно предупреждение, че способността на човека да манипулира живата природа около себе си вече надминава неговите възможности да прогнозира последствията от своите действия.