Hvordan kan computerteknik forudsige fremtiden for gensyntese?

Computerprogrammering og gensyntese ser ud til at have lidt til fælles. Men ifølge University of Cincinnati professor Andrew Steckl, en Ohio Eminent Scholar, gør spring fremad inden for teknologi i førstnævnte ham optimistisk om, at gener i bred skala er opnåelig.

Steckl og hans elev, Joseph Riolo, brugte historien om udvikling af mikrochips og store computersoftwareplatforme som en forudsigelig model til at forstå et andet komplekst system, syntetisk biologi. Steckl sagde, at projektet var inspireret af kommentarer fra en anden studerende i hans gruppe, Eliot Gomez.

"Ingen analogi er perfekt. DNA opfylder ikke visse definitioner af digital kode," sagde Riolo, "men der er mange måder, hvorpå genomet og softwarekoden kan sammenlignes."

Deres analyse blev offentliggjort i tidsskriftet Scientific Reports.

Ifølge UC-undersøgelsen har syntetisk biologi potentialet til at blive "det næste epoke teknologiske menneskelige fremskridt efter mikroelektronik og internettet." Dens anvendelser er ubegrænsede, lige fra at skabe nye biobrændstoffer til at udvikle nye medicinske behandlinger.

Forskere ved J. Craig Venter Institute skabte den første syntetiske organisme i 2010, da de transplanterede et kunstigt genom af Mycoplasma mycoides ind i en anden bakteriecelle. Dette relativt enkle kunstige genom tog 15 år at udvikle til en pris på mere end 40 millioner dollars.

Men ved at bruge computerchipudvikling som en guide sagde Steckl, at vi kan udlede, at hastigheden og omkostningerne ved at producere lignende syntetisk levetid kan følge en lignende bane som ydeevnen og omkostningerne ved elektronik over tid.

Artiklen fremhæver sammenligningen og lighederne mellem biologiske og digitale kodesprog med hensyn til alfabet, ord og sætninger. Forfatterne understreger dog, at DNA-kodning - kombinationerne af adenin, guanin, thymin og cytosin, der udgør et genom - kun fortæller en del af genernes komplekse historie og udelader ting som epigenetik.

"For det andet kan funktionaliteten af ​​bioorganismer beskrives som bottom-up, distribueret, selvreplikerende og ikke-deterministisk; hvorimod computersystemdesign og funktionalitet er top-down, koncentreret, ikke (endnu) selvreplikerende og deterministisk." sagde undersøgelsen.

"Der er alle slags forbehold, men vi har brug for en nul-ordens sammenligning for at starte på denne vej," sagde Steckl, en fremtrædende forskningsprofessor, der har fælles ansættelser i elektroteknik, biomedicinsk teknik og materialeteknik i UC's College of Engineering and Applied Videnskab.

"Kan vi sammenligne kompleksiteten ved at programmere et jagerfly eller Mars-rover med kompleksiteten forbundet med at skabe et genom af en bakterie?" spurgte Steckl. "Er de af samme orden eller er de væsentligt mere komplicerede?

"Enten er biologiske organismer langt mere komplicerede og repræsenterer den mest komplicerede 'programmering', der nogensinde er blevet udført - så der er ingen måde, du kan duplikere det kunstigt - eller måske er de af samme rækkefølge som at lave kodningen til en F-35 kampfly eller en luksusbil, så måske er det muligt."

Moores lov er en forudsigelig model for udviklingen af ​​computerchips. Opkaldt efter computerforsker Gordon Moore, medstifter af Intel, antyder det, at fremskridt inden for teknologi muliggør eksponentiel vækst af transistorer på en enkelt computerchip.

Og 55 år siden Moore udarbejdede sin teori, ser vi den stadig i arbejde i tredimensionelle mikrochips, selvom fremskridtene giver mindre fordele i ydeevne og effektreduktion end tidligere spring fremad.

Siden 2010, sagde undersøgelsen, er prisen for redigering af gener og syntetisering af genomer omtrent halveret hvert andet år på samme måde som Moores lov foreslår.

"Dette ville betyde, at syntetisering af et kunstigt menneskeligt genom kunne koste cirka 1 million dollars, og enklere applikationer som en tilpasset bakterie kunne syntetiseres for så lidt som $4.000," sagde forfatterne i undersøgelsen.

"Denne kombination af overkommelig kompleksitet og moderate omkostninger retfærdiggør den akademiske entusiasme for syntetisk biologi og vil fortsætte med at inspirere interessen for livets regler," konkluderede undersøgelsen.

Ligeledes sagde Steckl, at bioteknik kunne blive en integreret del af stort set enhver industri og videnskab på nogenlunde samme måde, som computervidenskab udviklede sig fra en nichedisciplin til en kritisk komponent i næsten enhver videnskab.

"Jeg ser en sammenhæng mellem, hvordan computing har udviklet sig som en disciplin. Nu ser du heavy-duty computing i enhver videnskabsdisciplin," sagde Steckl. "Jeg ser noget lignende ske i verden af ​​biologi og bioteknologi. Biologi er overalt. Det bliver interessant at se, hvordan disse ting udvikler sig."

Både Steckl og Riolo er enige om, at evnen til at skabe kunstigt liv ikke nødvendigvis bærer byrden eller moralsk autoritet til at gøre det.

"Det er ikke noget, der skal tages let på," sagde Steckl. "Det er ikke så enkelt, som vi burde gøre det, fordi vi kan gøre det. Man bør også overveje de filosofiske eller endda religiøse implikationer."