Новое программное обеспечение значительно ускоряет лабораторную работу и ускоряет поиск лекарств.
Когда вы думаете об ученом за работой в лаборатории, вы можете визуализировать знакомый стереотип: кто-то в белом халате, возможно, в очках, резиновых перчатках и, возможно, в маске для защиты. Они переливают жидкости из контейнера в контейнер, используя капельницы и пипетки для выполнения этой работы, помещая эти образцы в различные условия, а затем, возможно, изучая результаты под микроскопом.
Это может быть кропотливо медленный процесс, но в основном он работает.
В течение многих лет роботы или другие формы автоматизации также работали в лабораториях, ускоряя этот медленный процесс, избавляя ученых и помощников от монотонности, ускоряя эксперименты в геометрической прогрессии.
Но даже в этом случае роботы могли тестировать только одну переменную за раз.
У Маркуса Гершатера возникла идея: что, если бы мы могли научить этих роботов не только работать быстрее, но и проверять несколько или даже многие переменные одновременно? Что, если бы процесс можно было ускорить в семь, десять или даже в сотни раз быстрее, чем раньше.
Вот почему Гершатер и его друг основали Synthace, лондонскую компанию, которая создает программное обеспечение для достижения этой цели. Они назвали программное обеспечение Antha, которое описывается как программа, которая «дает биологам сложный, гибкий и интегрированный контроль над лабораторным оборудованием».
В результате таких достижений ученые, фармацевтические компании и медицинские исследователи изучают и разрабатывают вещи, которые могут лечить и даже излечивать болезни и состояния, на которые в противном случае ушли бы годы или десятилетия.
ORBITER встретился с Гершатером, главным научным сотрудником Synthace, чтобы узнать больше о науке и о том, что она значит для всех нас.
ORBITER: Как вы попали в эту сферу?
Маркус Гершатер: Я всегда знал, что хочу быть биологом. На протяжении всей моей карьеры я перешел от чисто биологических исследований к вопросу: «Как мы можем использовать силы биологии для полезных вещей?»
Содержимое недоступно
Маркус Гершатер
Биология - действительно сложная система, самая сложная вещь в известной вселенной. На протяжении всей моей карьеры, особенно в первые дни, вы идете в лабораторию, где существуют неотъемлемые предположения о том, как работают люди: «Делайте это так», или «Вам нужно делать это при такой температуре», или «Держите этот кусочек на льду»..”
Но, похоже, не так много знаний о том, почему. Я из тех раздражающих людей, которые во всем сомневаются. Мы используем так много протоколов в лаборатории, где пытаемся исследовать эту чрезвычайно сложную систему, используя методы, которые накапливались с течением времени, но это не обязательно означает, что что-то было тщательно исследовано.
Для таких, как я, это может сильно разочаровать. Особенно когда эти протоколы не всегда работают.
Какова история основания Synthace в 2011 году?
Это началось, когда я работал над докторской диссертацией в Университетском колледже Лондона, где занимался биотрансформацией. Вот где вы берете отдельный фермент, отдельный катализатор и смотрите, что вы можете с ним сделать. Я исследовал, как можно связать многие из них вместе, получая каскад этих реакций, и все они строят одну поверх другой, чтобы произвести более глубокие изменения в молекулах.
Я пытался извлечь ферменты из растений, чтобы заставить их производиться в кишечной палочке лабораторного бактериального штамма. Но как именно я собираюсь написать этот ДНК-код, чтобы поместить его в бактериальный штамм? Сегодня мы можем читать и записывать ДНК почти по желанию, но не в то время. Решить, как написать основной код жизни, чтобы получить конкретный результат, очень сложно!
Мне нужен был способ делать это более систематически. Делать это только человеческим мозгом, карандашом и бумагой просто не получится. Вам нужен более сложный вычислительный анализ.
Я познакомился с другим исследователем из UCL, парнем по имени Шон Уорд, который анализировал структуры кода ДНК. Шон имел опыт работы с компьютерами, а я исходил из биологии. Вместе мы основали Synthace, потому что были убеждены, что должны быть лучшие способы решения сложных биологических задач с помощью многофакторных экспериментов.
Какие лучшие способы вы придумали?
В старшей школе по биологии вас учат задавать по одному вопросу за раз: если вы хотите исследовать, влияет ли что-то на вашу биологическую систему, вам нужно оставить все остальное неизменным и просто исследовать один вопрос.. Это называется «добросовестным тестом», и его отождествляют с научным методом в целом. Подразумевается, что если вы не рассматриваете только один фактор за раз, вы на самом деле не занимаетесь наукой. Вы не проводите строгих экспериментов. Но это заблуждение.
Есть способы проведения очень структурированных, строгих экспериментов, которые одновременно рассматривают большое количество факторов. Поэтому я начал использовать эти методы и обнаружил, что они могут быть невероятно мощными. На моей предыдущей работе, используя эти методы, я получил семикратное увеличение урожайности за три недели работы в лаборатории. Это увеличение на 700%. Это меня поразило.
Поэтому мы запустили Synthace, опираясь на эти открытия, с убеждением, что все можно сделать лучше.
Если подумать о том, что такое биология, почти неизбежно, что это лучший способ работы. Эволюция работает таким образом, что она будет накапливать множество различных изменений, чтобы получить определенный эффект. Это очень оппортунистично. Если есть комбинация трех различных характеристик клетки, которая может быть полезна для этого организма, тогда эволюция начнет выбирать именно ее.
Практически для каждого аспекта биологии, для каждого аспекта того, кем мы являемся как люди, это сложная комбинация нашей генетики и среды, в которой мы выросли. Затем это коррелирует с биологией в лаборатория. Если мы хотим создать лекарство из набора клеток, то то, как мы программируем эти клетки с помощью генной инженерии, сильно повлияет на продукт, который будет производиться, но в сочетании с тем, чем мы кормим эти клетки, сколько кислорода мы им даем., при какой температуре мы их инкубируем, все такое. Проблема в том, что если биология изучается по одному фактору за раз, вы упускаете все эти взаимосвязи. Вы упускаете фундаментальную эмерджентную природу биологии. Итак, мы запустили Synthace с идеей: «Давайте попробуем решить проблему биологической сложности с помощью более сложных типов экспериментов, в которых мы одновременно смотрим на множество вещей». На самом деле это гораздо более целостный взгляд на биологические системы. Это очень сложные эксперименты, но вы можете их делать.
В то время мы работали с такими фармацевтическими компаниями, как Merck и Dow AgroSciences. Они ставили перед нами все более сложные задачи, требуя все более сложных экспериментов - изощренных матриц экспериментов. Добавляя дополнительные факторы в эксперименты, вы не просто добавляете несколько дополнительных прогонов. В итоге мы проводили тысячи экспериментальных прогонов одновременно, и каждый из этих прогонов был другим. И это становится исключительно трудным для выполнения.
В прошлом эти сложные эксперименты в основном проводились вручную, но мы решили, что сможем использовать автоматизацию. Но проблема с автоматизацией заключается в том, что она изначально настроена делать одно и то же снова и снова - вы программируете робота, и он будет добросовестно делать именно то, на что вы его запрограммировали, ни больше, ни меньше.
Кстати, о программировании, поговорим об Анте
При проведении исследований каждый эксперимент состоит из тысяч, если не десятков тысяч, отдельных шагов - в основном, когда вы отбираете жидкости пипеткой - как и подавляющее большинство биологических исследований. Вы можете заставить робота делать это, но вы должны сообщать ему о каждом наборе пипеток, который вы хотите, чтобы он делал.
Так что автоматизация сама по себе не является решением. Вам также нужен гораздо лучший способ программирования этой автоматизации. Именно тогда мы отказались от компании, которая в основном занималась вопросом «Как мы можем проводить эти сложные эксперименты, чтобы решить проблему биологической сложности?» на «Как мы можем создать программный слой, который позволит нам гибко перепрограммировать автоматизацию для проведения экспериментов?» Мы стремились изменить масштаб эксперимента, насколько это возможно.
Я привожу аналогию: в нашей повседневной жизни мы привыкли взаимодействовать с действительно сложным оборудованием, но интуитивно понятным способом. Ваш средний смартфон или ноутбук - это невероятно сложное аппаратное обеспечение, но мы не думаем об этом, когда используем его. Это потому, что между нами и аппаратным обеспечением находится слой программных приложений и операционных систем, которые затем выполняют всю оркестровку за нас.
В лаборатории у нас аналогичная ситуация: у нас действительно сложное оборудование, но у нас нет того программного слоя, который помогает нам организовать это оборудование, чтобы реализовать наше намерение для конкретного эксперимента.
В 2014 году мы поняли, что это наша главная возможность. Мы создали некоторые внутренние технологии, которые помогли нам программировать роботов, но наши клиенты были действительно заинтересованы в том, чтобы сами иметь такую возможность. Поэтому мы приступили к созданию программного продукта, который поможет людям гибко автоматизировать любые биологические исследования и разработки, которые они проводят в своей лаборатории. И этот программный продукт - Antha.
Итак, это не просто компьютерные программы, проводящие теоретические эксперименты, они используют автоматизацию для выполнения работы, которую всегда выполняли люди - берут пипетки и наливают жидкости в разные пробирки. Настоящая материальная биология все еще существует
Верно. Это основа того, кем мы являемся как компания. Мы прежде всего биологическая компания. Мы все спрашиваем: «Как мы можем проводить эксперименты, которые позволят нам задавать вопросы биологии, которые нам нужно задать, чтобы действительно понять, что происходит?» И, учитывая сложность биологических систем, с которыми мы имеем дело, удивительно, как далеко продвинулась наука, проводя эксперименты просто вручную.
Мы напрямую занимаемся оптимизацией биологических систем и решением биологических проблем. У нас есть настоящие лаборатории в Synthace. Вот откуда мы знаем, что делаем программное обеспечение, которое действительно полезно. Мы не софтверная компания, которая думает, что знает лучше. Мы - компания, которая столкнулась с трудностями, пытаясь решить проблему биологической сложности, и мы создали здесь инструменты, которые помогли нам в этом. Это было последующее осознание того, что мы думали, что это может быть хорошей бизнес-моделью.
Вы сказали, что поначалу вам удавалось проводить эксперименты в семь раз быстрее, чем раньше. А сейчас?
С тех пор нашим лучшим примером было 200-кратное улучшение. Так что это может быть невероятно мощно.
Поддерживают ли лаборатории и компании эту идею?
Многие. Но некоторые говорят, что на самом деле это не тот способ, которым традиционно занималась биология - что биология должна изучаться преимущественно по одному фактору за раз. Биолог думает: хорошо, что может повлиять на мою систему? Это может быть температура. И они проводят неделю, наблюдая за своим процессом при разных температурах, и говорят: «Хорошо, 34 градуса, кажется, лучшая температура. А что, если я накормлю его еще сахаром? Какой эффект это будет иметь?» Проблема с этим подходом заключается в том, что если оптимальная стратегия кормления сахаром зависит от температуры, то вы не обнаружите ее, потому что исследовали ее только при одной температуре.
По сути, мы хотим, используя автоматизацию, значительно упростить проведение гораздо более сложных экспериментов.
Содержимое недоступно
3D-иллюстрация Т-клеток, атакующих раковую клетку (CAR T-клеточная терапия)
Мы работаем с рядом клиентов, от традиционных фармацевтических компаний до компаний, занимающихся клеточной и генной терапией. Генные компании ищут способы модификации генетики с целью излечения людей от мышечной дистрофии или различных видов слепоты.
Мы работаем с компаниями, занимающимися клеточной терапией, занимаясь такими вещами, как терапия CAR T-клетками, которые могут атаковать раковые клетки. Эти компании работают с детьми, больными лейкемией. Схема лечения заключается в том, что вы берете иммунные клетки из их крови, изолируете эти клетки, а затем встраиваете их так, чтобы они распознавали рак в их телах. По сути, вы перепрограммируете иммунные клетки, чтобы они искали и уничтожали клетки лейкемии. И это дало поразительно эффективные результаты; у некоторых из этих детей наступила полная ремиссия, так что это эффективное лекарство.
Какова роль Synthace в этой картине?
Чтобы модифицировать эти иммунные клетки, вам нужен способ ввести в них ДНК с помощью так называемого вирусного вектора. Он использует способность вирусов проникать ДНК в клетки человека, удаляя все патогенные части вируса, которые наносят вред. А затем упаковать ДНК в эти теперь полностью безопасные вирусные векторы, которые доставляют ДНК в эти клетки и позволяют реконструировать их для лечения этих видов рака.
Но сделать эти вирусные векторы и сделать их эффективными очень сложно. Мы работаем с компанией Oxford Biomedica, которая производит эти вирусные векторы для помощи детям, больным лейкемией. И они используют наше программное обеспечение Antha по-разному; одно тематическое исследование показывает, как Анта добился десятикратного улучшения этого процесса. Можете себе представить, насколько это нас волнует: мы эффективно создаем инструменты, помогающие биологам лучше выполнять свою работу.
У биологов есть дела поважнее, чем работа в лаборатории. Мы хотим, чтобы они думали о том, как планировать свои эксперименты и как интерпретировать их результаты. И мы хотим, чтобы они думали о своей науке, а не о том, как пипетировать жидкость из одного места в другое. Это серьезное злоупотребление их навыками.
Итак, для уточнения: Synthace не создает роботов или автоматизацию, которая обеспечивает работу лаборатории, а только программное обеспечение?
Верно. Мы не производим оборудование, но многие поставщики производят очень хорошее оборудование для автоматизации. Мы поставляем программное обеспечение, которое помогает организовать функциональность этого оборудования гораздо более сложным образом. Наше программное обеспечение взаимодействует с целым рядом различных средств автоматизации и лабораторного оборудования, которое уже существует, поэтому оно может проводить гораздо более сложные эксперименты и добиваться гораздо более быстрых улучшений.
Одни из самых приятных отзывов, которые мы получили, - это когда мы спросили их, сколько времени у них ушло бы на это без нашего программного обеспечения. А некоторые говорят: «Ну, мы не могли этого сделать». Так что дело не только в том, чтобы занять больше времени; иногда они вообще не могли работать.
Давайте остановимся на термине синтетическая биология
Я испытываю смешанные чувства по поводу термина «синтетическая биология». Я предпочитаю термин инженерная биология. В нем все еще есть обертоны рукотворного, но он более преднамеренный: «Как мы можем вносить очень преднамеренные и осторожные изменения в биологию для очень предсказуемого результата?» Это действительно то, к чему стремится поле.
Биологи-синтетики стремятся к тому, чтобы иметь возможность прогнозировать и систематически конструировать биологические системы, чтобы дать нам действительно полезные результаты. Одним из примеров является терапия CAR Т-клетками - очень преднамеренное перепрограммирование этих иммунных клеток для уничтожения рака. Это не то, с чем вы случайно сталкиваетесь. Это сделано с учетом настоящего дизайна.
Эта технология и наука, безусловно, могут принести большую пользу, но в неправильных руках также может быть использовано не по назначению. Каковы некоторые из потенциальных этических проблем, которые могут возникнуть? В чужих руках все возможно
Мы давно об этом думали. Вы должны, если вы предпринимаете такого рода усилия инженерной жизни. Вы работаете с некоторыми из самых фундаментальных вещей, которые влияют на нашу жизнь. Вы должны относиться к этим вещам серьезно.
Я не собираюсь притворяться, что есть какое-то простое решение. Мы упрощаем проектирование биологии, и, как вы говорите, у нее есть возможности во всех направлениях, как и у любой технологии. Почти неизбежно произойдут вещи, которые могут быть исключительно опасны для человека - скорее всего, какая-то вспышка болезни. Если мы вспомним предыдущие пандемии гриппа, которые могли убить огромное количество людей, это действительно пугающая перспектива.
Но, на мой взгляд, это делает моральным долгом делать то, что мы делаем. У нас давно не было пандемии, но нет причин, по которым она не могла бы произойти в любое время. И чем быстрее мы сможем создать инструменты, способные быстро реагировать на такие пандемии, тем лучше.
В конечном счете, если биологам будут предоставлены инструменты для решения проблемы биологической сложности как можно быстрее, чтобы создать вакцины и лекарства, тем лучше.
Даже для угроз, исходящих от природы, что может быть довольно жестоким местом. Теперь у нас появляются возможности защищать свой угол от различных вещей.
Я думаю, что мы должны использовать технологии, подобные тем, которые мы создаем. Наше устройство - лишь один из многих инструментов, которые необходимо объединить для создания такого мира, в котором мы сможем быстро разработать биологию для противодействия этим угрозам. И когда есть злоумышленники, люди, которые могут использовать эти технологии так, как мы бы этого не хотели, тогда у нас есть инфраструктура, чтобы справиться с ними.
Это не идеальный ответ. Но я не собираюсь притворяться, что есть простые ответы.
Если мы представим себя в мире, где такого рода технологии являются обычным явлением, то государственные организации и организации здравоохранения будут иметь в своем распоряжении огромное количество такого оборудования, которое они бы быть в состоянии противостоять любой возникающей угрозе. В то время как маловероятно, что у злоумышленников будет такой же ресурс, чтобы создать угрозу. Так что я считаю, что он по-прежнему отдает большую часть силы на сторону разумного, на сторону добра.