CÔNG NGHỆ CỦA CUỘC SỐNG

Cuộc sống, công nghệ cổ xưa nhất của vũ trụ, đã tồn tại ít nhất 3,7 tỷ năm. Qua hàng triệu năm, sự sống đã tiến hóa trong một quá trình băng giá, tự quản và không có hướng dẫn. Sau đó, chỉ trong vài thập kỷ qua, một khoảng thời gian tiến hóa nhỏ bé, một trong những sản phẩm của sự sống, con người, đã thay đổi mọi thứ. Những bí ẩn của sinh học bắt đầu được giải mã, và chính sinh học trở thành một công cụ kỹ thuật. Câu chuyện về sự sống đã được viết lại trong một khoảnh khắc; bàn tay quanh co của tiến hóa bỗng nhiên được tăng cường, có định hướng. Những thay đổi từng diễn ra một cách mù quáng và theo thời gian địa chất giờ đây tiến về phía trước với tốc độ theo cấp số nhân. Cùng với AI, đây là sự chuyển mình quan trọng nhất trong cuộc đời chúng ta.

Các hệ thống sống tự lắp ráp và tự chữa lành; chúng là những kiến trúc thu năng lượng có khả năng tái tạo, tồn tại và phát triển trong một loạt các môi trường, tất cả với mức độ tinh vi, độ chính xác nguyên tử và xử lý thông tin đáng kinh ngạc. Cũng như mọi thứ từ động cơ hơi nước đến vi xử lý đều được thúc đẩy bởi một cuộc đối thoại mãnh liệt giữa vật lý và kỹ thuật, thì những thập kỷ tới sẽ được định hình bởi sự hội tụ của sinh học và kỹ thuật. Giống như AI, sinh học tổng hợp đang trên một quỹ đạo giảm chi phí và tăng khả năng.

Tại trung tâm của làn sóng này là nhận thức rằng DNA là thông tin, một hệ thống mã hóa và lưu trữ đã tiến hóa sinh học. Trong vài thập kỷ qua, chúng ta đã hiểu đủ về hệ thống truyền tải thông tin này đến mức chúng ta có thể can thiệp để thay đổi mã hóa của nó và định hướng quá trình của nó. Kết quả là, thực phẩm, thuốc, vật liệu, quy trình sản xuất và hàng hóa tiêu dùng sẽ đều được biến đổi và tái tưởng tượng. Con người cũng sẽ như vậy.

Kỹ thuật di truyền nghe có vẻ hiện đại, nhưng thực ra nó là một trong những công nghệ cổ xưa nhất của nhân loại. Nhiều thành tựu của nền văn minh sẽ không thể xảy ra nếu không có việc chọn lọc giống - quá trình kiên trì tinh chỉnh cây trồng và động vật để chọn ra những đặc điểm mong muốn hơn. Dần dần, qua nhiều thế kỷ và thiên niên kỷ, con người đã chọn lọc những đặc điểm hữu ích nhất, tạo ra những chú chó thân thiện, bò sữa, gà thuần hóa, lúa mì, ngô, và nhiều thứ khác.

Kỹ thuật sinh học hiện đại bắt đầu vào những năm 1970, dựa trên sự hiểu biết ngày càng tăng về di truyền và di truyền học đã bắt đầu từ thế kỷ 19. Mở rộng công trình của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins, James Watson và Francis Crick đã phát hiện ra cấu trúc của DNA, phân tử mã hóa hướng dẫn để sản xuất một sinh vật, vào những năm 1950. Sau đó, làm việc trên vi khuẩn vào năm 1973, Stanley N. Cohen và Herbert W. Boyer đã tìm ra cách cấy ghép vật liệu di truyền từ một sinh vật này sang một sinh vật khác, cho thấy họ có thể thành công trong việc giới thiệu DNA từ một con ếch vào một vi khuẩn. Thời đại của kỹ thuật di truyền đã đến.

Nghiên cứu này đã dẫn đến việc Boyer thành lập một trong những công ty công nghệ sinh học đầu tiên trên thế giới, Genentech, vào năm 1976. Sứ mệnh của nó là thao tác các gen của vi sinh vật để sản xuất thuốc và liệu pháp, và chỉ trong một năm, công ty đã phát triển một bằng chứng khái niệm, sử dụng vi khuẩn E. coli được thiết kế để sản xuất hormone somatostatin.

Mặc dù có một số thành tựu đáng chú ý, nhưng tiến trình ban đầu trong lĩnh vực này diễn ra chậm chạp, vì kỹ thuật di truyền là một quá trình tốn kém, khó khăn và dễ thất bại. Tuy nhiên, trong khoảng hai mươi năm qua, điều đó đã thay đổi. Kỹ thuật di truyền đã trở nên rẻ hơn và dễ dàng hơn rất nhiều. (Nghe quen không?) Một yếu tố thúc đẩy là Dự án Gen Người. Đây là một nỗ lực kéo dài mười ba năm, tiêu tốn hàng tỷ đô la, quy tụ hàng ngàn nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới, trong các tổ chức tư nhân và công cộng, với một mục tiêu duy nhất: mở khóa ba tỷ chữ cái thông tin di truyền cấu thành nên bộ gen người. Giải trình tự gen như thế này biến thông tin sinh học, DNA, thành văn bản thô: thông tin mà con người có thể đọc và sử dụng. Cấu trúc hóa học phức tạp được chuyển đổi thành một chuỗi bốn cơ sở xác định của nó—A, T, C và G.

Lần đầu tiên, Dự án Bộ gen Người nhằm mục đích làm cho bản đồ di truyền đầy đủ của con người trở nên dễ đọc. Khi nó được công bố vào năm 1988, một số người nghĩ rằng điều đó là không thể, bị định sẵn thất bại. Nhưng dự án cuối cùng đã chứng minh những người hoài nghi là sai. Đến năm 2003, đã được công bố tại một buổi lễ ở Nhà Trắng rằng 92% bộ gen người đã được giải mã và mã của sự sống giờ đây đã được phơi bày. Đây là một thành tựu mang tính bước ngoặt, và mặc dù đã mất thời gian để bắt đầu đạt được tiềm năng đầy đủ, nhưng nhìn lại, rõ ràng rằng Dự án Bộ gen Người thực sự đã đánh dấu sự khởi đầu của một cuộc cách mạng.

Trong khi định luật Moore xứng đáng thu hút sự chú ý đáng kể, ít người biết đến điều mà The Economist gọi là đường cong Carlson: sự sụp đổ ngoạn mục về chi phí giải mã DNA. Nhờ vào các kỹ thuật ngày càng cải tiến, chi phí giải mã gen người đã giảm từ 1 tỷ USD vào năm 2003 xuống dưới 1.000 USD vào năm 2022. Điều này có nghĩa là giá đã giảm một triệu lần trong chưa đầy hai mươi năm, nhanh gấp một nghìn lần so với định luật Moore. Một sự phát triển đáng kinh ngạc ẩn hiện ngay trước mắt.

Giải trình tự gen hiện nay là một ngành kinh doanh đang bùng nổ. Theo thời gian, có vẻ như phần lớn mọi người, thực vật, động vật và mọi thứ ở giữa sẽ có gen của họ được giải trình tự. Các dịch vụ như 23andMe đã cung cấp hồ sơ DNA của cá nhân với giá vài trăm đô la.

Nhưng sức mạnh của công nghệ sinh học vượt xa khả năng đơn giản là đọc mã; nó giờ đây cho phép chúng ta chỉnh sửa và viết mã đó. Chỉnh sửa gen CRISPR (viết tắt của cụm từ "các đoạn lặp lại đối xứng ngắn được phân bố đều") có lẽ là ví dụ nổi tiếng nhất về cách chúng ta có thể can thiệp trực tiếp vào di truyền. Một bước đột phá vào năm 2012 do Jennifer Doudna và Emmanuelle Charpentier dẫn dắt có nghĩa là lần đầu tiên các gen có thể được chỉnh sửa gần như giống như văn bản hoặc mã máy tính, dễ dàng hơn nhiều so với những ngày đầu của kỹ thuật di truyền.

CRISPR chỉnh sửa các chuỗi DNA với sự trợ giúp của Cas9, một enzyme hoạt động như một cặp kéo DNA được điều chỉnh tinh vi, cắt các phần của một chuỗi DNA để chỉnh sửa và thay đổi gen một cách chính xác, từ vi khuẩn nhỏ bé đến các động vật lớn như con người, với các chỉnh sửa từ những thay đổi nhỏ đến những can thiệp đáng kể trong bộ gen. Tác động có thể rất lớn: chỉnh sửa các tế bào dòng germ-line tạo ra trứng và tinh trùng, ví dụ, có nghĩa là những thay đổi sẽ vang vọng qua các thế hệ.

Sau khi bài báo CRISPR đầu tiên được công bố, tiến trình áp dụng nó diễn ra nhanh chóng; những cây trồng được chỉnh sửa gen đầu tiên đã được tạo ra trong vòng một năm, và những động vật - chuột - thậm chí còn trước đó. Các hệ thống dựa trên CRISPR với những cái tên như Carver và PAC-MAN hứa hẹn những cách phòng ngừa hiệu quả để chống lại virus mà, khác với vắc-xin, không kích hoạt phản ứng miễn dịch, giúp bảo vệ chúng ta khỏi các đại dịch trong tương lai. Các lĩnh vực như chỉnh sửa RNA đang mở ra một loạt các phương pháp điều trị mới cho các tình trạng như cholesterol cao và ung thư. Các kỹ thuật mới như Craspase, một công cụ CRISPR làm việc với RNA và protein thay vì DNA, có thể cho phép can thiệp điều trị an toàn hơn so với các phương pháp thông thường.

Giống như AI, kỹ thuật di truyền là một lĩnh vực đang chuyển động nhanh chóng, phát triển và tiến bộ từng tuần, một sự tập trung toàn cầu khổng lồ về tài năng và năng lượng bắt đầu mang lại kết quả thực sự (trong trường hợp này, theo nghĩa đen). Các trường hợp sử dụng CRISPR đang gia tăng, từ cà chua siêu giàu vitamin D đến các phương pháp điều trị cho các tình trạng bao gồm bệnh hồng cầu hình liềm và beta-thalassemia (một rối loạn máu sản xuất hemoglobin bất thường). Trong tương lai, nó có thể cung cấp các phương pháp điều trị cho COVID-19, HIV, xơ nang và thậm chí cả ung thư. Các liệu pháp gen an toàn, rộng rãi đang trên đường đến. Những liệu pháp này sẽ tạo ra các loại cây trồng kháng chịu hạn và bệnh tật, tăng năng suất, và giúp cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học quy mô lớn.

Chỉ vài thập kỷ trước, công nghệ sinh học rất tốn kém, phức tạp và chậm chạp, chỉ có những đội ngũ tài năng và có nguồn lực tốt nhất mới có thể tham gia. Ngày nay, các công nghệ như CRISPR rất đơn giản và rẻ để sử dụng; chúng đã, theo lời của nhà sinh học Nessa Carey, “dân chủ hóa khoa học sinh học.” Những thí nghiệm từng mất nhiều năm giờ đây được các sinh viên sau đại học thực hiện trong vài tuần. Các công ty như Odin sẽ bán cho bạn một bộ dụng cụ kỹ thuật di truyền bao gồm ếch sống và châu chấu với giá 1.999 USD, trong khi một bộ dụng cụ khác bao gồm một máy ly tâm mini, một máy phản ứng chuỗi polymerase, và tất cả các hóa chất và vật liệu bạn cần để bắt đầu.

Kỹ thuật di truyền đã tiếp nhận tinh thần tự làm mà trước đây đã định nghĩa các công ty khởi nghiệp kỹ thuật số và dẫn đến một sự bùng nổ sáng tạo và tiềm năng trong những ngày đầu của internet. Bạn giờ đây có thể mua một máy tổng hợp DNA để bàn (xem phần tiếp theo) với giá chỉ từ 25.000 USD và sử dụng nó theo ý muốn, không bị hạn chế hay giám sát, tại nhà trong gara sinh học của bạn.

MÁY IN DNA: SINH HỌC TỔ HỢP TRỞ NÊN SỐNG ĐỘNG

CRISPR chỉ là khởi đầu. Tổng hợp gen là việc sản xuất các chuỗi gen, in các sợi DNA. Nếu giải trình tự là đọc, thì tổng hợp là viết. Và viết không chỉ liên quan đến việc tái tạo các sợi DNA đã biết; nó cũng cho phép các nhà khoa học viết các sợi mới, để kỹ thuật hóa chính sự sống. Mặc dù thực hành này đã tồn tại từ nhiều năm trước, nhưng nó lại chậm, tốn kém và khó khăn. Một thập kỷ trước, các nhà khoa học có thể sản xuất dưới một trăm mảnh DNA cùng một lúc. Bây giờ họ có thể in hàng triệu mảnh cùng một lúc, kết hợp với việc giảm giá mười lần. Nhà máy DNA London đặt tại Imperial College London tuyên bố rằng họ có thể tạo ra và thử nghiệm mười lăm nghìn thiết kế gen khác nhau trong một buổi sáng.

Các công ty như DNA Script đang thương mại hóa các máy in DNA có khả năng huấn luyện và điều chỉnh các enzyme để xây dựng các phân tử de novo, hoặc hoàn toàn mới. Khả năng này đã dẫn đến sự ra đời của lĩnh vực sinh học tổng hợp - khả năng đọc, chỉnh sửa và giờ đây là viết mã di truyền. Hơn nữa, các kỹ thuật mới như tổng hợp enzym nhanh hơn và thậm chí hiệu quả hơn trong khi ít có khả năng thất bại, không có chất thải nguy hại và, tất nhiên, trên một đường cong chi phí giảm dốc. Phương pháp này cũng dễ học hơn nhiều, không giống như các phương pháp cũ phức tạp hơn yêu cầu kiến thức chuyên môn và kỹ năng kỹ thuật cao hơn.

Một thế giới đầy khả năng cho việc tạo ra DNA đã mở ra, nơi mà các chu trình thiết kế, xây dựng, thử nghiệm và lặp lại diễn ra với tốc độ nhanh chóng một cách đáng kể. Các phiên bản máy tổng hợp DNA tại nhà hiện tại có một số hạn chế kỹ thuật nhưng vẫn rất mạnh mẽ, và bạn có thể chắc chắn rằng những hạn chế đó sẽ được khắc phục trong tương lai gần.

Nơi thiên nhiên đi một con đường dài và quanh co để đạt được những kết quả hiệu quả phi thường, cuộc cách mạng sinh học này đặt sức mạnh của thiết kế tập trung vào trung tâm của những quá trình tự tái tạo, tự chữa lành và tiến hóa này.

Đây là lời hứa của sự tiến hóa theo thiết kế, hàng chục triệu năm lịch sử được nén lại và rút ngắn bởi sự can thiệp có định hướng. Nó kết hợp công nghệ sinh học, sinh học phân tử và di truyền học với sức mạnh của các công cụ thiết kế tính toán. Kết hợp tất cả lại, bạn có một nền tảng có phạm vi chuyển đổi sâu sắc. Theo lời của kỹ sư sinh học Stanford Drew Endy, “Sinh học là nền tảng sản xuất phân tán tối thượng.” Lời hứa thực sự của sinh học tổng hợp, do đó, là nó sẽ “cho phép con người trực tiếp và tự do hơn trong việc tạo ra bất cứ thứ gì họ cần ở bất kỳ đâu.”

Vào những năm 1960, chip máy tính vẫn chủ yếu được chế tạo bằng tay, cũng như - cho đến gần đây - hầu hết nghiên cứu sinh học phân tử vẫn là một quá trình thủ công, chậm chạp, không thể đoán trước, lộn xộn theo mọi nghĩa. Bây giờ, quy trình chế tạo bán dẫn là một quy trình sản xuất siêu hiệu quả ở quy mô nguyên tử, sản xuất ra một số sản phẩm phức tạp nhất thế giới. Sinh học phân tử đang theo một quỹ đạo tương tự, chỉ ở giai đoạn sớm hơn nhiều; các sinh vật sẽ sớm được thiết kế và sản xuất với độ chính xác và quy mô của các chip máy tính và phần mềm ngày nay.

Vào năm 2010, một nhóm do Craig Venter dẫn đầu đã lấy một bản sao gần giống của bộ gen của vi khuẩn Mycoplasma mycoides và cấy ghép nó vào một tế bào mới, sau đó tế bào này đã nhân bản. Họ lập luận rằng đó là một dạng sống mới, Synthia. Vào năm 2016, họ đã tạo ra một sinh vật với 473 gen, ít hơn bất kỳ thứ gì tìm thấy trong tự nhiên nhưng là một bước tiến quyết định so với những gì trước đây có thể. Chỉ ba năm sau, một nhóm tại ETH Zurich đã tạo ra bộ gen vi khuẩn đầu tiên được sản xuất hoàn toàn trên máy tính: Caulobacter ethensis-2.0. Trong khi các thí nghiệm của Venter có một đội ngũ lớn và tốn hàng triệu đô la, công trình tiên phong này chủ yếu được hoàn thành bởi hai anh em với chi phí dưới 100.000 đô la. Hiện nay, Liên minh GP-write toàn cầu đang cam kết giảm chi phí sản xuất và thử nghiệm các bộ gen tổng hợp xuống “1.000 lần trong vòng mười năm.”

Sinh học, gặp gỡ những cải tiến theo cấp số nhân.

SỰ SÁNG TẠO SINH HỌC ĐƯỢC GIẢI PHÓNG

Vô số thí nghiệm đang diễn ra trong bối cảnh kỳ lạ và mới nổi của sinh học tổng hợp: virus sản xuất pin, protein làm sạch nước bẩn, cơ quan được nuôi trong bể, tảo hút carbon từ khí quyển, thực vật tiêu thụ chất thải độc hại. Một số loài truyền bệnh như muỗi hoặc loài xâm lấn như chuột nhà có thể bị loại bỏ khỏi môi trường sống trong các dự án gene drive; những loài khác được hồi sinh, bao gồm một dự án kỳ lạ nhằm tái giới thiệu voi ma mút lông xù về vùng tundra. Không ai có thể nói đầy đủ về những hậu quả có thể xảy ra.

Các tiến bộ y tế là một lĩnh vực rõ ràng để tập trung. Sử dụng một gen cho các protein phát hiện ánh sáng lấy từ tảo để tái tạo các tế bào thần kinh, các nhà khoa học đã thành công trong việc phục hồi thị lực hạn chế cho một người mù vào năm 2021. Những tình trạng trước đây không thể điều trị từ bệnh hồng cầu hình liềm đến bệnh bạch cầu hiện nay có khả năng được điều trị. Các liệu pháp tế bào T CAR chế tạo các tế bào bạch cầu miễn dịch đáp ứng theo yêu cầu để tấn công các loại ung thư; chỉnh sửa gen có vẻ sẽ chữa trị các bệnh tim di truyền.

Nhờ vào các phương pháp điều trị cứu sống như vắc-xin, chúng ta đã quen với ý tưởng can thiệp vào sinh học của mình để giúp chống lại bệnh tật. Lĩnh vực sinh học hệ thống nhằm hiểu "bức tranh lớn" của một tế bào, mô hoặc sinh vật bằng cách sử dụng tin sinh học và sinh học tính toán để xem cách mà sinh vật hoạt động một cách toàn diện; những nỗ lực như vậy có thể là nền tảng cho một kỷ nguyên mới của y học cá nhân hóa. Chẳng bao lâu nữa, ý tưởng được điều trị theo cách chung sẽ có vẻ như là thời trung cổ; mọi thứ, từ loại chăm sóc mà chúng ta nhận được đến các loại thuốc mà chúng ta được cung cấp, sẽ được điều chỉnh chính xác theo DNA và các dấu hiệu sinh học cụ thể của chúng ta. Cuối cùng, có thể sẽ có khả năng tái cấu trúc bản thân để tăng cường phản ứng miễn dịch. Điều đó, theo cách khác, có thể mở ra cánh cửa cho những thí nghiệm tham vọng hơn như công nghệ kéo dài tuổi thọ và tái sinh, đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu đang bùng nổ.

Altos Labs, công ty đã huy động được 3 tỷ USD, số tiền đầu tư khởi nghiệp nhiều hơn bất kỳ dự án sinh học nào trước đây, đang tìm kiếm các công nghệ chống lão hóa hiệu quả. Nhà khoa học chính của công ty, Richard Klausner, lập luận: “Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể quay ngược thời gian” về tỷ lệ tử vong của con người. Tập trung vào các kỹ thuật “lập trình trẻ hóa,” công ty nhằm mục đích thiết lập lại epigenome, các dấu hiệu hóa học trên DNA kiểm soát các gen bằng cách bật và tắt chúng. Khi chúng ta già đi, những dấu hiệu này “lật” sang vị trí sai. Cách tiếp cận thử nghiệm này nhằm mục đích lật chúng trở lại, đảo ngược hoặc ngăn chặn quá trình lão hóa. Cùng với một loạt các can thiệp đầy hứa hẹn khác, tính không thể tránh khỏi của lão hóa thể chất—điều mà dường như là một phần cơ bản của cuộc sống con người—được đặt ra câu hỏi. Một thế giới nơi tuổi thọ trung bình được dự kiến sẽ đạt một trăm năm hoặc hơn là khả thi trong vài thập kỷ tới. Đây không chỉ là về việc sống lâu hơn; mà còn là về cuộc sống khỏe mạnh hơn khi chúng ta già đi.

Sự thành công sẽ có những tác động lớn đến xã hội. Đồng thời, các cải tiến về nhận thức, thẩm mỹ, thể chất và hiệu suất cũng có thể xảy ra và sẽ gây rối loạn và bị ghét bỏ như chúng được mong muốn. Dù thế nào đi nữa, những thay đổi nghiêm trọng về thể chất sẽ xảy ra. Công việc ban đầu cho thấy trí nhớ có thể được cải thiện và sức mạnh cơ bắp có thể được tăng cường. Sẽ không lâu nữa trước khi "doping gen" trở thành một vấn đề nóng trong thể thao, giáo dục và đời sống chuyên nghiệp. Các luật governing các thử nghiệm lâm sàng và thí nghiệm rơi vào một khu vực xám khi nói đến việc tự quản lý. Thí nghiệm trên người khác rõ ràng là không được phép, nhưng thí nghiệm trên chính mình thì sao? Giống như nhiều yếu tố khác của công nghệ tiên tiến, đây là một không gian pháp lý và đạo đức không rõ ràng.

Đã có những đứa trẻ đầu tiên với bộ gen được chỉnh sửa ra đời ở Trung Quốc sau khi một giáo sư bất hợp pháp bắt đầu một loạt thí nghiệm trực tiếp với các cặp đôi trẻ, cuối cùng dẫn đến việc sinh ra cặp song sinh, được biết đến với tên gọi Lulu và Nana, với bộ gen được chỉnh sửa vào năm 2018. Công việc của ông đã gây sốc cho cộng đồng khoa học, vi phạm tất cả các chuẩn mực đạo đức. Không có bất kỳ biện pháp bảo vệ hoặc cơ chế trách nhiệm nào được thiết lập; việc chỉnh sửa được coi là không cần thiết về mặt y tế và, tệ hơn, được thực hiện kém. Sự phẫn nộ của các nhà khoa học là có thật, sự lên án gần như phổ quát. Các cuộc gọi cho một lệnh tạm dừng đã diễn ra nhanh chóng và bao gồm nhiều nhà tiên phong quan trọng trong lĩnh vực này, nhưng vẫn có những người không đồng ý rằng đây là cách tiếp cận đúng đắn. Trước khi nhiều em bé CRISPR ra đời, thế giới có thể sẽ cần phải đối mặt với việc lựa chọn phôi thai lặp đi lặp lại có thể cũng chọn cho các đặc điểm mong muốn.

Ngoài những tiêu đề gây lo ngại về công nghệ sinh học, ngày càng nhiều ứng dụng sẽ xuất hiện, một loạt rộng lớn vượt ra ngoài y học hoặc thay đổi cá nhân, chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng. Các quy trình sản xuất, nông nghiệp, vật liệu, sản xuất năng lượng, thậm chí máy tính—tất cả sẽ được chuyển đổi cơ bản trong những thập kỷ tới. Mặc dù còn nhiều thách thức, các vật liệu cốt lõi cho nền kinh tế như nhựa, xi măng và phân bón có thể được sản xuất bền vững hơn nhiều, với nhiên liệu sinh học và nhựa sinh học thay thế cho các sản phẩm phát thải carbon. Cây trồng có thể trở nên kháng nhiễm, sử dụng ít nước, đất và phân bón hơn; nhà cửa được điêu khắc và phát triển từ nấm.

Các nhà khoa học như giải Nobel Frances Arnold tạo ra các enzyme sản xuất ra các phản ứng hóa học mới, bao gồm các phương pháp liên kết silicon và carbon, thường là một quá trình khó khăn, tiêu tốn nhiều năng lượng với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử. Phương pháp của Arnold hiệu quả năng lượng gấp mười lăm lần so với các lựa chọn công nghiệp tiêu chuẩn. Bước tiếp theo liên quan đến việc mở rộng sản xuất các vật liệu và quy trình sinh học. Bằng cách này, các sản phẩm quan trọng như thay thế thịt hoặc các vật liệu mới hút carbon ra khỏi bầu khí quyển có thể được phát triển nhiều như được sản xuất. Ngành công nghiệp hóa dầu khổng lồ có thể gặp thách thức từ các công ty khởi nghiệp trẻ như Solugen, nơi mà Bioforge của họ là một nỗ lực xây dựng một nhà máy carbon âm; nó sẽ sản xuất một loạt các hóa chất và hàng hóa, từ sản phẩm tẩy rửa đến phụ gia thực phẩm đến bê tông, tất cả trong khi hút carbon ra khỏi bầu khí quyển. Quy trình của họ về cơ bản là sản xuất sinh học tiêu tốn ít năng lượng, ít chất thải ở quy mô công nghiệp, được xây dựng trên AI và công nghệ sinh học.

Một công ty khác, LanzaTech, sử dụng vi khuẩn biến đổi gen để chuyển đổi CO2 thải từ sản xuất thép thành các hóa chất công nghiệp được sử dụng rộng rãi. Loại sinh học tổng hợp này đang giúp xây dựng một nền kinh tế “tuần hoàn” bền vững hơn. Các máy in DNA thế hệ tiếp theo sẽ sản xuất DNA với độ chính xác ngày càng cao. Nếu có thể cải thiện không chỉ việc biểu hiện DNA đó mà còn sử dụng nó để kỹ thuật di truyền một loạt các sinh vật mới đa dạng, tự động hóa và mở rộng quy trình, một thiết bị hoặc một bộ thiết bị có thể, về lý thuyết, sản xuất một loạt lớn các vật liệu và cấu trúc sinh học chỉ với một vài đầu vào cơ bản. Muốn làm một ít bột giặt hoặc một món đồ chơi mới hoặc thậm chí xây dựng một ngôi nhà? Chỉ cần tải xuống “công thức” và nhấn “bắt đầu.” Theo lời của Elliot Hershberg, “Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể phát triển những gì chúng ta muốn tại địa phương? Điều gì sẽ xảy ra nếu chuỗi cung ứng của chúng ta chỉ là sinh học?”

Cuối cùng, máy tính có thể được phát triển cũng như được chế tạo. Hãy nhớ rằng DNA chính là cơ chế lưu trữ dữ liệu hiệu quả nhất mà chúng ta biết đến—có khả năng lưu trữ dữ liệu với mật độ gấp hàng triệu lần so với các kỹ thuật tính toán hiện tại với độ chính xác và ổn định gần như hoàn hảo. Về lý thuyết, toàn bộ dữ liệu của thế giới có thể được lưu trữ trong chỉ một kilogram DNA. Một phiên bản sinh học của transistor gọi là transcriptor sử dụng các phân tử DNA và RNA để hoạt động như các cổng logic. Vẫn còn một chặng đường dài trước khi công nghệ này có thể được khai thác. Nhưng tất cả các bộ phận chức năng của một máy tính—lưu trữ dữ liệu, truyền thông tin, và một hệ thống logic cơ bản—về nguyên tắc có thể được tái tạo bằng cách sử dụng các vật liệu sinh học.

Các sinh vật đã được chỉnh sửa gen hiện chiếm 2% nền kinh tế Mỹ thông qua các ứng dụng nông nghiệp và dược phẩm. Đây chỉ là khởi đầu. McKinsey ước tính rằng tới 60% các đầu vào vật lý vào nền kinh tế có thể cuối cùng sẽ chịu sự "đổi mới sinh học." Bốn mươi lăm phần trăm gánh nặng bệnh tật toàn cầu có thể được đáp ứng bằng "khoa học mà hiện nay có thể tưởng tượng được." Khi bộ công cụ trở nên rẻ hơn và tiên tiến hơn, một vũ trụ khả năng sẽ trở thành đối tượng khám phá.

TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG THỜI ĐẠI CUỘC SỐNG TỔNG HỢP

Protein là những khối xây dựng của sự sống. Cơ bắp và máu của bạn, hormone và tóc, thực sự, 75% trọng lượng cơ thể khô của bạn: tất cả đều là protein. Chúng có mặt ở khắp mọi nơi, với mọi hình thức có thể tưởng tượng, thực hiện vô số nhiệm vụ quan trọng, từ các dây chằng giữ xương của bạn lại với nhau, đến các móc trên kháng thể được sử dụng để bắt những vị khách không mong muốn. Hiểu về protein, bạn đã có một bước nhảy vọt lớn trong việc hiểu và làm chủ sinh học.

Nhưng có một vấn đề. Chỉ biết trình tự DNA là không đủ để hiểu cách một protein hoạt động. Thay vào đó, bạn cần hiểu cách nó gập lại. Hình dạng của nó, được hình thành bởi sự gập lại rối, là cốt lõi cho chức năng của nó: collagen trong gân của chúng ta có cấu trúc giống như dây thừng, trong khi các enzyme có các túi để giữ các phân tử mà chúng tác động lên. Và tuy nhiên, trước đó, không có cách nào để biết điều này sẽ xảy ra như thế nào. Nếu bạn sử dụng tính toán brute-force truyền thống, liên quan đến việc thử nghiệm một cách hệ thống tất cả các khả năng, có thể mất nhiều thời gian hơn cả tuổi thọ của vũ trụ đã biết để chạy qua tất cả các hình dạng có thể của một protein nhất định. Do đó, việc tìm hiểu cách một protein gập lại là một quá trình gian nan, cản trở sự phát triển của mọi thứ từ thuốc đến các enzyme ăn nhựa.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã đặt câu hỏi liệu có cách nào tốt hơn. Vào năm 1993, họ quyết định tổ chức một cuộc thi hai năm một lần - gọi là Đánh giá Quan trọng cho Dự đoán Cấu trúc (CASP) - để xem ai có thể giải quyết vấn đề gập protein. Ai đưa ra dự đoán tốt nhất về cách một protein có thể gập lại sẽ chiến thắng. CASP nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn trong một lĩnh vực cạnh tranh khốc liệt nhưng gắn bó chặt chẽ. Tiến bộ diễn ra đều đặn, nhưng không có dấu hiệu kết thúc.

Sau đó, tại CASP13 vào năm 2018, được tổ chức tại một khu nghỉ dưỡng ven biển ở Cancún, một đối thủ không ngờ tới đã tham gia cuộc thi, với không có hồ sơ thành tích, và đánh bại chín mươi tám đội đã được thành lập. Đội chiến thắng là của DeepMind. Được gọi là AlphaFold, dự án bắt đầu trong một cuộc thi hackathon thử nghiệm kéo dài một tuần trong nhóm của tôi tại công ty vào năm 2016. Nó đã trở thành một khoảnh khắc mang tính bước ngoặt trong sinh học tính toán và cung cấp một ví dụ hoàn hảo về cách cả AI và công nghệ sinh học đang tiến bộ với tốc độ nhanh chóng.

Trong khi đội đứng thứ hai, nhóm Zhang được đánh giá cao, chỉ có thể dự đoán ba cấu trúc protein trong số bốn mươi ba mục tiêu khó nhất, bài dự thi chiến thắng của chúng tôi đã dự đoán được hai mươi lăm. Nó đã làm điều này nhanh hơn nhiều so với các đối thủ, chỉ trong vài giờ. Bằng cách nào đó, trong cuộc thi đã được thiết lập này, nơi có sự tham gia của những chuyên gia siêu thông minh, lá bài hoang dã của chúng tôi đã chiến thắng và làm cho mọi người kinh ngạc. Mohammed AlQuraishi, một nhà nghiên cứu nổi tiếng trong lĩnh vực này, đã phải hỏi, “Chuyện gì vừa xảy ra vậy?”

Đội ngũ của chúng tôi đã sử dụng mạng nơ-ron sinh điều sâu để dự đoán cách mà các protein có thể gập lại dựa trên DNA của chúng, đào tạo trên một tập hợp các protein đã biết và suy diễn từ đó. Các mô hình mới đã có khả năng đoán khoảng cách và góc của các cặp axit amin tốt hơn. Không phải là chuyên môn trong ngành dược, hay trong các kỹ thuật truyền thống như kính hiển vi điện tử cryo, hay thậm chí là các phương pháp thuật toán thông thường, đã giải quyết được vấn đề. Chìa khóa là chuyên môn và khả năng trong học máy, trong AI. AI và sinh học đã quyết định kết hợp với nhau.

Hai năm sau, đội ngũ của chúng tôi đã trở lại. Một tiêu đề đã nói lên tất cả: “Một trong những Vấn Đề Lớn Nhất trong Sinh Học Cuối Cùng Đã Được Giải Quyết,” viết tạp chí Scientific American. Một vũ trụ protein trước đây bị ẩn giấu đã được tiết lộ với tốc độ đáng kinh ngạc. AlphaFold tốt đến mức CASP, giống như ImageNet, đã được nghỉ hưu. Trong nửa thế kỷ, gập protein đã là một trong những thách thức lớn của khoa học, và rồi, đột nhiên, nó đã được đánh dấu hoàn thành trong danh sách.

Vào năm 2022, AlphaFold2 đã được mở cho công chúng sử dụng. Kết quả là một sự bùng nổ của các công cụ học máy tiên tiến nhất thế giới, được triển khai trong cả nghiên cứu sinh học cơ bản và ứng dụng: một "cơn địa chấn," theo lời của một nhà nghiên cứu. Hơn một triệu nhà nghiên cứu đã truy cập công cụ này trong vòng mười tám tháng sau khi ra mắt, bao gồm hầu hết các phòng thí nghiệm sinh học hàng đầu thế giới, giải quyết các câu hỏi từ kháng kháng sinh đến điều trị các bệnh hiếm gặp đến nguồn gốc của sự sống. Các thí nghiệm trước đây đã cung cấp cấu trúc của khoảng 190.000 protein vào cơ sở dữ liệu của Viện Tin sinh học Châu Âu, khoảng 0,1% số protein đã biết tồn tại. DeepMind đã tải lên khoảng 200 triệu cấu trúc chỉ trong một lần, đại diện cho hầu hết các protein đã biết. Trong khi trước đây có thể mất hàng tuần hoặc hàng tháng để các nhà nghiên cứu xác định hình dạng và chức năng của một protein, thì giờ đây quá trình đó có thể bắt đầu chỉ trong vài giây. Đây là điều chúng tôi gọi là sự thay đổi theo cấp số nhân. Đây là điều mà làn sóng sắp tới làm cho có thể.

Và đây chỉ là sự khởi đầu của sự hội tụ giữa hai công nghệ này. Cuộc cách mạng sinh học đang đồng tiến hóa với những tiến bộ trong trí tuệ nhân tạo, và thực tế là nhiều hiện tượng được thảo luận trong chương này sẽ phụ thuộc vào trí tuệ nhân tạo để hiện thực hóa. Hãy nghĩ về hai làn sóng va chạm vào nhau, không phải là một làn sóng mà là một siêu làn sóng. Thực tế, từ một góc nhìn, trí tuệ nhân tạo và sinh học tổng hợp gần như có thể hoán đổi cho nhau. Tất cả trí tuệ cho đến nay đều đến từ sự sống. Gọi chúng là trí tuệ tổng hợp và sự sống nhân tạo thì chúng vẫn có nghĩa giống nhau. Cả hai lĩnh vực đều liên quan đến việc tái tạo, kỹ thuật hóa những khái niệm hoàn toàn cơ bản và liên quan này, hai thuộc tính cốt lõi của nhân loại; thay đổi góc nhìn và chúng trở thành một dự án duy nhất.

Sự phức tạp của sinh học mở ra những kho dữ liệu khổng lồ, như tất cả các protein, gần như không thể phân tích bằng các kỹ thuật truyền thống. Một thế hệ công cụ mới đã nhanh chóng trở nên thiết yếu như một kết quả. Các nhóm đang làm việc trên các sản phẩm sẽ tạo ra các chuỗi DNA mới chỉ bằng các hướng dẫn ngôn ngữ tự nhiên. Các mô hình Transformer đang học ngôn ngữ của sinh học và hóa học, lại phát hiện ra các mối quan hệ và ý nghĩa trong các chuỗi dài, phức tạp mà tâm trí con người không thể đọc được. LLMs được tinh chỉnh trên dữ liệu sinh hóa có thể tạo ra các ứng viên khả thi cho các phân tử và protein mới, các chuỗi DNA và RNA. Chúng dự đoán cấu trúc, chức năng hoặc tính chất phản ứng của các hợp chất trong mô phỏng trước khi chúng được xác minh sau đó trong một phòng thí nghiệm. Không gian ứng dụng và tốc độ mà chúng có thể được khám phá chỉ đang gia tăng.

Một số nhà khoa học đang bắt đầu nghiên cứu cách kết nối trực tiếp tâm trí con người với các hệ thống máy tính. Vào năm 2019, các điện cực được cấy ghép phẫu thuật vào não cho phép một người đàn ông hoàn toàn bị liệt do ALS giai đoạn cuối đánh vần ra những từ “Tôi yêu con trai tuyệt vời của tôi.” Các công ty như Neuralink đang phát triển công nghệ giao diện não hứa hẹn sẽ kết nối chúng ta trực tiếp với máy móc. Vào năm 2021, công ty đã cấy ba nghìn điện cực dạng sợi, mỏng hơn tóc người, để theo dõi hoạt động của tế bào thần kinh vào não của một con lợn. Sớm thôi, họ hy vọng sẽ bắt đầu thử nghiệm trên người với cấy ghép não N1 của họ, trong khi một công ty khác, Synchron, đã bắt đầu thử nghiệm trên người tại Úc. Các nhà khoa học tại một công ty khởi nghiệp có tên Cortical Labs thậm chí đã nuôi cấy một loại não trong bể (một nhóm tế bào thần kinh được nuôi cấy trong ống nghiệm) và dạy nó chơi Pong. Có lẽ sẽ không lâu nữa trước khi các “dây thần kinh” được làm từ ống nano carbon kết nối chúng ta trực tiếp vào thế giới kỹ thuật số.

Điều gì sẽ xảy ra khi một bộ não con người có quyền truy cập tức thì vào tính toán và thông tin trên quy mô của internet và đám mây? Thật gần như không thể tưởng tượng, nhưng các nhà nghiên cứu đã ở những ngày đầu tiên của việc biến điều đó thành hiện thực. Là những công nghệ đa năng trung tâm của làn sóng sắp tới, AI và sinh học tổng hợp đã liên kết với nhau, tạo thành một vòng phản hồi xoắn ốc thúc đẩy lẫn nhau. Trong khi đại dịch đã mang lại sự nhận thức lớn cho ngành công nghệ sinh học, tác động đầy đủ—cả khả năng lẫn rủi ro—của sinh học tổng hợp vẫn chưa bắt đầu thấm vào trí tưởng tượng của công chúng.

Chào mừng bạn đến với kỷ nguyên của máy sinh học và máy tính sinh học, nơi các chuỗi DNA thực hiện các phép tính và các tế bào nhân tạo được đưa vào hoạt động. Nơi mà máy móc trở nên sống động. Chào mừng bạn đến với kỷ nguyên của sự sống tổng hợp.