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Ku游体育:2050年的生物技术——合成

时间:2020-05-19 03:56    作者:ku游体育     点击:

Ku游体育:2050年的生物技术——合成

五十年来,您可能正在阅读《经济学人》。该页面看起来不会像叶子,但是会像叶子一样长大。它将针对其功能进行设计,并且将继续存在。叶子将是有意生物设计和制造的产物。

而不是持续的绿色,其表面的细胞将包含受类似于神经系统的作用控制的色素。就像乌贼的皮肤一样,这些细胞会变成彩色,从而形成文字和图像,并与当时的互联网连接。考虑到墨鱼改变其色素的速度,这些页面可能不够快,无法显示运动图像,但对于书面文字而言,它们会很好。每页的厚度将比现在印有《经济学人》的纸张略厚,为控制元素(神经系统)和养分循环提供空间。页面老化或损坏时,很容易回收。它将由糖和光提供燃料。50年后产生并用于日常生活的许多文物将具有相似的外观,并且具有相似的来源。成熟的生物设计和制造的后果是广泛的,并将影响经济的各个方面,包括能源和资源的使用,运输和劳动力。如今,电子纸和类似的显示技术指日可待,但从长远来看,它们将无法与廉价的分布式生物制造产品竞争。

生长用于显示设备的工程叶片似乎是一项复杂的生物工程壮举,但是ku游体育了解到,该技术的基础已经奠定。目前,在实验室中,在缝合材料框架上正在生长结构简单的替代人类组织[1]。正在开发人的功能性心脏组织,最终是整个心脏的项目,时间表是完成十年[2]。

在这十年内,将对许多生物的基因组进行测序,从而提供了构成这些生物的结构和控制组件的蛋白质的部分列表。生物学家,工程师和物理学家已经在合作建立模型,以帮助我们了解这些部分如何工作并相互配合。这些模型的目标是对生物系统行为的定量预测,这将对理解基础生物学和改善人类健康产生深远的影响。

除了最初的生物医学后果外,可用于预测扰动对现有生物系统影响的模型将成为事实上的设计工具,为基于生物学的新技术的开发提供基础。当我们能够成功地预测所设计的生物系统的行为时,就会存在一种有意的生物学。有一个明确的工程组成部分,目的生物学与生物学作为技术的当前几乎随机的应用相反。例如,目前有关转基因食品的辩论更表明不成熟技术的计划使用不当,而不是技术本身的失败。目前,我们根本无法预测对像农作物及其害虫这样复杂的系统进行修补的效果。但是,随着其他各种人类技术的发展,从火到桥梁,再到计算器,生物工程将随着时间而改善。诸如病毒感染细菌和酵母信号转导途径等简单系统的定量模型已经在测试中[3]。在这些努力中开发的计算方法将很快应用于高等植物和动物。从成功的预测到设计到工业应用的开始,这是一小步。

甚至在真正的生物学设计问世之前,来自生物学的更多一般性教训已经在改变我们的经济。生物学学习对工业实践的潜在影响是巨大的,Paul Hawken和Amory和L. Hunter Lovins在《自然资本主义》一书中对此进行了探讨[4]。作者指出,沿生物学路线构建业务实践可以显著提高利润。例如,对人体循环系统进行了优化,以最大程度地减少将血液泵送到全身的工作量。但是,大多数工业泵送系统已进行了优化,以最大程度地减少施工期间的管道成本。这意味着要使用较小的管道,这就需要大型泵,而这些泵消耗的能量远远超过了所需的能量。同样,在人体抽水系统中 当动脉硬化导致血管直径减少时,心脏就必须努力工作。然后,这些血管需要以血管成形术的形式进行维护。工业泵系统的设计具有内置的动脉硬化,要对其进行修复,需要从头开始进行重建。仔细关注自然界几亿年的反复试验设计经验,将为人类工业节省大量能源和资源。

从大自然中藉鉴工业功能的设计美学仅仅是个开始。生活世界也将成为我们工业基础设施的一部分。大自然已经发现瞭如何以人类工程师和化学家羡慕的方式制造材料和精细化学。现在,许多公司,无论是老牌公司还是初创公司,都致力于从环境中的生物中获取酶以用于工业过程[5]。由生物在低温,低压和低能耗下制造的高强度材料的流行示例是蜘蛛丝和鲍鱼壳[6]。然而,提高资源利用效率和生物材料只是制造业革命的第一步。除了将生物学用作工业生产的结构和功能的模型之外,

尽管当今大多数制造业高度集中,并且整个组装过程中的材料运输距离相当远,但到2050年,人类工业将使用基于生物学的分布式和可再生制造业。可再生制造意味着生物学将被用来生产我们每天使用的许多物理事物。在早期实施中,选择的生物可能是酵母或细菌。这种类型的制造的物理基础结构具有固有的灵活性:本质上,这是任何啤酒厂中的桶,泵和液体处理能力。不同产品的生产运行仅涉及将含有适当遗传说明的酵母菌株接种到大桶中,然后提供原材料。为了确定,在某些应用和环境中,生物制造始终不是最佳选择,而且制造任务的复杂程度还不清楚,但是生物学能够制造出任何当前或设想的人类技术都无法模仿的壮举。在某种程度上,该方案听起来有点像埃里克·德雷克斯勒(Eric Drexler)的纳米技术组装商[7],除了我们已经拥有功能性纳米技术-这就是所谓的生物学。

随着实践的发展以及具有适当技能的工人的扩散,使技术操纵变得更加容易,将向基于生物制造的经济转变。生物工程将从职业到职业,再到业余职业,因为廉价,高质量的DNA测序和合成设备的可用性将使任何想了解细节的人都能参与。遵循入侵汽车和计算器的优良传统,到2050年,车库生物学的入侵将大有可为。

关于如何在厨房中操纵和分析DNA的信息已经很多。最近的《科学美国人》杂志的“业余科学家”专栏文章提供了通过聚合酶链反应(PCR)扩增DNA的说明[8],而先前的专栏文章则涉及使用自制的电泳设备分析DNA样品。讨论立即在slashdot.org线程中进行,参与者在其中提供了一些技巧来提高PCR流程的产量[9]。更详细的技术信息可以在任何大学生物学图书馆的《分子生物学最新规程》中找到[10],其中包含有关如何执行现代分子生物学所需的几乎所有任务的说明。该印刷的纲要最近加入了大学和政府机构维护的各种在线资源[11],从而变得更加易于访问。开源生物学已经成为现实。

随着用于理解,故障排除以及最终设计生物学的“编码”基础设施的发展,DNA测序仪和合成仪将变得更便宜,更快速且更易于使用。这些关键技术将首先从学术实验室和大型生物技术公司转移到小型企业,最后到家庭车库和厨房。曾经需要博士学位的知识和经验才能正确执行的许多标准实验室技术,如今已由大学生在研究环境中使用,其中包含带有颜色编码试剂瓶的试剂盒。食谱很容易遵循。技术的这种变化代表了某种形式的民主化,并且说明了随着生物技术的兴起而可能发生的劳动力结构变化。

可以通过查看计算器和互联网行业的经验来绘制生物技术的工作过程。硅谷的许多初创公司已经成为合同工程的工作,由风险资本提供资金,工人在此签约,期望该公司将在几年内被出售,然后他们将找到新的工作。生物技术革命的前沿很快就会看起来一样。然而,与当今的集成电路不同,在当今的集成电路中,制造基础设施的成本已高达每个设施10亿美元,可再生生物制造的基础设施成本将继续下降。生命及其利用的所有进化发展的技术,基本上都是在室温下以糖为燃料的。可再生,

分布式生物制造将更加灵活,因为当今生物技术中的商品已成为信息而非事物。尽管仍然经常需要通过邮件交换样本,但是基因组学行业已经开始从仅出售有关基因表达的信息中获得收益。在几十年内,将在实验室之间发送基因组序列,然后根据需要重新合成和表达。已经有可能使用化学方法在几周内合成足够的DNA以从头开始构建细菌基因组。在接下来的几十年中,最终将通过开发无模板的直接酶促合成方法-DNA“合酶”,将时间减少为几天,然后减少为几个小时。

试图保护知识产权的公司裁员可能会延迟开源生物学的发展。然而,通过简单地观察生活当前利用生物技术的方式,可以找到作为任何公司的技术手段的生物学的未来模型。通过生化独特的酶或途径赋予生物以优势的情况很少。生物化学的工具箱,零件列表-扩展软件类推的“内核”-被地球上所有生物共享。通常,由于基因表达的顺序或由于对所有形式的陆生生物共有的蛋白质结构的相对微妙的扰动,生物彼此不同。那是,从某种意义上讲,自然界的创新始终遵循服务和流动经济的理念。如果环境是静态的,则只有当一个生物体想出如何使用旧工具箱为自己或另一个生物体提供新服务时,才具有优势。

很明显可以与生物学的未来工业应用进行模拟:当分子生物学家弄清楚生物学的核心时,人类的创新将包括调整部件以提供新的服务。由于信息量巨大,单个公司实体不太可能在内核上保持垄断。最终,随着设计任务的数量和复杂性的增加,公司将不得不共享技术,而这些信息将不可避免地广泛传播,达到各种技术能力水平—当今的货币将是创新和设计。与人类开发的其他所有技术一样,生物技术将得到广泛传播。

随着开源生物制造技术的普及,欠发达经济体将迅速采用它来绕过第一世界对工业基础设施的投资。考虑到整个发展中国家大部分地区自然资源的紧张状况,许多这些国家不可能达到像美国一样浪费工业基础设施的第一世界生活水平。发展中国家根本负担不起工业和能源的低效率。一种快捷方式是效仿非洲不断发展的仅无线通信基础设施的例子,而跳过建筑系统来运输电力和货物。已经很明显,分布式发电将很快变得比集中式系统更高效。

分布式生物制造是全球经济的未来。随着设计和制造能力在全球范围内扩展到此处建议的程度,有必要考虑可能的危险。简单的答案是那些危险是真实的,而且是相当大的。这项技术可以创建对人类或我们赖以生存的动植物具有潜在致病性的新生物。已经很清楚,延长人类寿命和人类种系工程的社会和生物学后果将在未来几十年中消耗大量的公众辩论时间。而且,基本的基础设施和方法已经如此广泛,以至没有一个国家能够通过控制其境内的研究来操纵生物技术的发展。但是,应该通过增加研究和教育来应对对潜在危害的恐惧,而不是对分布式生物技术对人类健康,人类对环境的影响以及对世界生活水平的提高所产生的深远积极影响闭上大门。无论我们是否喜欢,基于有意开放源代码生物学的技术都在发展中,并且它所代表的机会将在未来五十年内开始出现。

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