Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей - Дэниел Франклин

В течение последующих 100 лет элементы, в итоге составившие «Boeing 777», были улучшены, доработаны и объединены в эффективное единое целое, сегодня кажущееся будничным делом. Эта инфраструктура в настоящее время настолько развита и настолько хорошо интегрирована, что конструкторы могут сидеть за настольными компьютерами и управлять автоматизированными производственными линиями, разбросанными на территории половины земного шара.

Тем не менее мы до сих пор не до конца понимаем, как на несущих плоскостях создается подъемная сила в турбулентном воздушном потоке. Вместо того чтобы основывать разработки на подробном физическом описании полета, мы удовольствуемся вычислительными алгоритмами из области аэродинамики, данные для которых собраны многократным моделированием. В конечном счете именно на основании этого моделирования мы решаем вопрос о летной годности «Boeing 777». Тем не менее продукты, появляющиеся из авиационной системы «проектирование для промышленного производства», настолько безопасны и хорошо воспроизводимы, что мы регулярно засыпаем практически сразу после взлета. Тот факт, что современная авиация стала элементом повседневности, является впечатляющим ключом к будущему биотехнологии. Хотя это может показаться банальным, будущее заключается в том, чтобы сделать биологическое производство столь же скучным, как современные самолетостроение и самолетовождение.

Преобразование уже идет. Индустрия автоматизации биологического проектирования, аналогичная той, что стоит за современным самолетостроением, сегодня формируется из амбициозных стартапов, разбросанных по нескольким континентам. Основными заказчиками здесь являются крупные фармацевтические и промышленные биотехнологические компании, оказавшиеся неспособными самостоятельно переориентироваться на исследования и разработки в этом направлении. Когда «проектирование для промышленного производства» станет привычным аспектом биоинженерии, мы получим доступ к основополагающей технологии, которая может быть использована для построения почти всего, что мы видим в природе. В будущем границы биотехнологии будут расширяться и выходить далеко за пределы ограниченного списка биологических органов и процессов сегодняшнего дня.

По мере расширения способности манипулирования биологическими процессами наша креативность, чрезмерно ограничиваемая существующими сегодня представлениями, постепенно начнет освобождаться от стереотипов. Что именно мы станем создавать с использованием биологических компонентов, когда преодолеем воображаемые пределы, навязываемые нынешним миропониманием? Намеки на будущее можно разглядеть в другом проекте DARPA, направленном на использование биологии для изменения способа манипулирования неживой материей.

Стандартная синтетическая химия позволила создать целый зоопарк молекул, являющихся строительными блоками современной экономики. Производство многих продуктов сегодня возможно лишь благодаря свойствам молекул, созданных человеком. Синтетическая химия буквально преобразует наш мир, вспомните о пластмассах, покрытиях или катализаторах. Но она может быть использована для изготовления только части тех материалов, которые мы — теоретически — можем себе представить. Например, ферменты могут совершать настоящие химические подвиги, благодаря которым откроется доступ к гораздо большему количеству веществ. DARPA хочет расширить эту возможность и использовать новые комбинации ферментов для производства тысяч материалов, до сих пор никогда не существовавших. Более того, за 100 лет упорного труда мы изучили биохимию достаточно хорошо, и это позволило нам приступить к разработке новых ферментов с новыми возможностями, которые еще больше расширят спектр доступных материалов.

Помимо производства новых веществ, биотехнологии воспринимаются как важные функциональные компоненты систем, ныне производящихся из кремния и металла. В частности, они, скорее всего, изменят способ хранения цифровой информации.

От дисков к ДНК

Интернет расширяется настолько быстро, что наша потребность в архивации данных скоро превзойдет возможности существующих технологий. Если мы продолжим идти по тому же пути, то в ближайшие десятилетия нам понадобится экспоненциально больше не только магнитной ленты, дисков или флеш-памяти, но и фабрик для производства этих носителей, и складов для их хранения. Даже если это технически и осуществимо, то экономически невозможно. Решение может предоставить биология. ДНК — самая сложная и плотная среда хранения информации, с какой мы когда-либо сталкивались; она во много раз превышает даже теоретическую емкость магнитной ленты или твердотельного накопителя.

Обширный склад, полный магнитных лент, может быть заменен ДНК размером с кубик сахара. Что касается времени хранения, то мы нашли нетронутую ДНК в тушах животных, которые провели замороженными в канадской тундре 750 тысяч лет. Следовательно, есть серьезные основания объединить способность читать и писать ДНК с ускоряющейся потребностью в носителе для более длительного хранения информации. И нам уже продемонстрировали кодирование и извлечение текста, фотографий и видео в ДНК.

Правительства и корпорации оценили эту возможность и начали финансировать исследования ускорения синтеза и секвенирования ДНК. Для того чтобы конкурировать с типичным ленточным, «ДНК-привод» должен быть способен записывать и читать эквивалент приблизительно 10 человеческих геномов в минуту, что в настоящее время в 10 раз превышает глобальный ежегодный спрос на синтетическую ДНК. Масштабы спроса на ДНК-устройства и цена, по которой они должны продаваться, полностью изменят экономику чтения и записи генетической информации, сокращая роль теперешних многомиллиардных рынков биотехнологии при одновременном массовом расширении возможностей для перепрограммирования живых существ. Этот вид нетрадиционного использования биотехнологии со временем будет лишь увеличиваться.

Земля, текущая молоком и биоденьгами

Рассмотрим производственный потенциал промышленной ферментации, той точки, где сходятся биология и управление бизнес-процессами. Пивоварение работает технично и экономически грамотно на самых разных уровнях — от транснациональных гигантов, выбрасывающих на рынок миллионы литров напитка в год, до изощренных крафтовых пивоварен, производительность которых в литрах исчисляется тысячами и которые можно встретить в современных городах на каждом углу. Эта промышленная структура свидетельствует о том, что распределенное биологическое производство может успешно конкурировать с централизованным, опровергая идею о том, что масштабная экономика всегда благоприятствует крупным хозяйствам. Более того, интегрированные нефтяные компании жизнеспособны только при капитале в десятки миллиардов долларов, тогда как предприятия, бизнес которых основан на процессе ферментации, могут работать при вложении всего нескольких тысяч.

Путем перепрограммирования биологической части этой производственной платформы мы можем гибко перенацелиться на довольно выгодные рынки. В то время как пиво — это в основном вода стоимостью не более нескольких долларов за литр, бактерии могут производить молекулы стоимостью в десятки тысяч долларов за литр. Из более чем 105 млрд долларов, внесенных промышленными биотехнологиями в экономику США в 2012 году, по крайней мере 66 млрд поступили благодаря ферментированным биохимическим продуктам, которые уже вытесняют с мировых рынков продукты нефтехимии (не включая биоэтанол, доля которого в валовом внутреннем продукте США составила в 2012 г. всего 10 млрд долларов). Еще одним показателем спроса является переход фармацевтической промышленности от химического синтеза даже маломолекулярных препаратов, таких как антибиотики, к биологическому, тем самым экономя деньги и сокращая потоки отходов и выбросы углерода. Растущий спрос на эти возобновляемые химические вещества будет во все большей степени определяться производственными системами, включающими как биологические, так и небиологические компоненты.