Время живых машин. Биологическая революция в технологиях

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], – 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], 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] 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.

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.

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.

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].

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.

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.

Сноски