Biologie für Programmierer: Wie ein technischer Ansatz die Welt verändert

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Die Venture-Fonds-Partner Andreessen Horowitz, die Biotechnologie-Investmentexperten Jorge Conde, Vijay Pande und Julie Yu verfassten ein Manifest über die Rolle technischer Prinzipien bei der Schaffung von Innovationen in der Biologie.

Die Menschheit steht vor dem Übergang der Biologie von der empirischen Wissenschaft zur Ingenieurdisziplin. Seit Jahrtausenden werden technogene Ansätze verwendet, um lebende Systeme zu beeinflussen. Jetzt nutzen wir unsere eigenen Naturmechanismen - unter Verwendung biologischer Verfahren -, um das Leben selbst zu entwerfen, zu skalieren und zu transformieren.

Hypothese, Überprüfung, Überarbeitung von Daten ist eine empirische Wissenschaft. Das Engineering funktioniert jedoch nicht ganz so: Sie verwenden Teile, die Sie gut kennen und verstehen, um etwas zu entwerfen und zu erstellen, z. B. Software. Wir sind gut darin, Programme zu schreiben - auch weil wir damit begonnen haben, sie von Grund auf neu zu erstellen. Die Idee, technisches Denken in die Biologie zu übertragen, die Milliarden von Jahren ohne menschliches Eingreifen gewachsen ist, hat jedoch Wurzeln geschlagen.

Medikamente als Code

Das Konzept eines der Systeme für die schnelle Entwicklung von Arzneimitteln.

So wie Programmierer es vorziehen, im technischen Bereich von Grund auf neu zu arbeiten, können Biologen und Entwickler jetzt völlig neue Dinge kreieren. Der erste große Schritt in diese Richtung erfolgte vor 41 Jahren, als am Beckman Research Institute unter Beteiligung von Genentech ein gentechnisch verändertes Humaninsulin mit Hilfe der rekombinanten (künstlichen) DNA-Technologie hergestellt wurde.

Der Engineering-Ansatz verändert die Methoden der Diagnose, Behandlung und des Krankheitsmanagements grundlegend. Heutzutage ermöglichen Tools wie CRISPR, die Biologie von Freisetzung zu Freisetzung mit zunehmender Genauigkeit zu programmieren, angefangen bei Bakterien, die zur Produktion neuer Chemikalien und Proteine ​​entwickelt wurden, bis hin zu Zellen, die für die Bekämpfung von Krebs trainiert wurden.

Ein Durchbruch in der Technologie der „programmierten Medikamente“ (in Form von Genen, Zellen, Mikroben und sogar mobilen Anwendungen und Software, die sich auf die Gesundheit auswirken können) bringt uns dem nächsten Paradigma der Medizin näher. Und der Durchbruch kommt zum richtigen Zeitpunkt: Im Durchschnitt ist nur eines der 20 entwickelten Medikamente direkt im menschlichen Körper wirksam. Es ist einfach unglaublich, dass wir im Allgemeinen eine funktionierende Medizin gefunden haben, da die Menschen das MVP-Produkt von Milliarden von Jahren Evolution mit dem unglaublichsten Spaghetti-Code in der Geschichte sind.


Da es sich bei neuen Arzneimitteln um ingenieurtechnische Systeme handelt, die programmierbar sind, wird der Prozess der Schaffung neuer Arzneimittel iterativ - von der Entwicklung eines Moleküls für einen bestimmten Zweck bis zur Entwicklung einer Plattform, auf der viele zukünftige Arzneimittel aufgebaut werden können. Beispielsweise hat das biotechnologische Unternehmen Ginkgo Bioworks anstelle der Herstellung wirksamerer Antibiotika einen Bioprinter entwickelt, mit dessen Hilfe Bakterienstämme gedruckt werden können, die mit resistenten Mikroorganismen konkurrieren.

Medizin 2.0

Wissenschaftler der Universität Cambridge (UK) haben E. coli-Bakterien mit einem vollsynthetischen Genom erzeugt.

Wie ständig aktualisierte Software werden auch programmierbare Medikamente in zukünftigen Generationen immer besser. Bei der CAR-T-Zelltherapie werden beispielsweise die eigenen T-Lymphozyten des Patienten künstlich programmiert, um das „Ziel“ (Tumorzellen) zu erkennen. Jede neue Version der konstruierten CAR-T-Zellen ist komplizierter als die vorherige. Gleichzeitig werden die Kosten der Methode aufgrund der Optimierung des technischen Prozesses sinken (derzeit sind es etwa 500.000 USD).

Durch den modularen Aspekt der Arzneimittelherstellung ist es einfacher, neue Lösungen durch die Wiederverwendung gemeinsamer Komponenten zu erstellen. Daher kommen wir zum Analogon von EDA- Systemen (Electronic Device Design Automation), mit denen wir die zu entwickelnden Geräte simulieren und ihre Arbeit studieren können, bevor sie in die Geräte eingeführt werden.

Dank der Fortschritte beim maschinellen Lernen bieten uns Computer neue Methoden zur Diagnose und Behandlung in der heutigen Medizin 2.0. Große Informationsmengen werden in Bildern dargestellt, die für Maschinen mit einer ausreichenden Menge an beschrifteten Daten "verständlich" sind: zum Beispiel in der Mikroskopie, Radiologie, Pathologie usw. Andere Datensätze ähneln von Natur aus Bildern, die für neuronale Netze „verständlich“ sind - die Sequenz von DNA oder Proteinen kann als sehr lang geordnetes Zahlenfeld betrachtet werden.

Lebensstil als programmierte Medizin

Lebenserwartung in den gegenwärtig existierenden Stämmen einer primitiven Ebene - Hadza, Heavi, australische Aborigines, Yanomamo und so weiter. (ohne Kindersterblichkeit).

Nicht alle neuen Behandlungen sind mit Molekülen verbunden. Es gibt einen alten Witz, wonach Klempner mehr Leben retten als Ärzte: Die Verbesserung der Abwassersysteme hatte einen großen Einfluss auf die Lebenserwartung. In der Tat ist Lebensstil eine unglaublich wirksame Medizin.

Nach Angaben der WHO wird der Gesundheitszustand des Menschen von vier Hauptfaktoren bestimmt: Lebensstil (50%), Vererbung (20%), Klima und Ökologie (20%) und Gesundheitszustand (10%). In den Vereinigten Staaten werden jährlich 3 Billionen US-Dollar für die Aufrechterhaltung des letzten Artikels ausgegeben , und eine Änderung der Verhaltensmuster des Menschen in Richtung eines gesunden Lebensstils in dieser Phase kann die Qualität des körperlichen, geistigen und sozialen Wohlbefindens wesentlich wirksamer verbessern. Hier hilft ein technologischer Ansatz.

Handys, Smartwatches, Blutzuckermessgeräte, Blutdruckmessgeräte und andere Geräte generieren eine riesige Menge an Daten, mit denen maschinelles Lernen die verborgenen Nuancen des menschlichen Verhaltens aufdecken kann. Wenn Sie beispielsweise Daten zur Mittagszeit, zu Ihrer Aktivität während des Tages und zur Schlafdauer vergleichen, werden Verhaltensstörungen aufgedeckt, die letztendlich zu einem erheblichen Risiko für Ihre Gesundheit führen.

Technologie verändert das Verhalten sehr. Bereits heute können Sie mobile Apps zur Behandlung komplexer chronischer Erkrankungen wie Diabetes und kognitiven Beeinträchtigungen herunterladen.

Fazit: Ingenieurbiologie für den Wandel der Welt

In den USA haben sie vor nicht allzu langer Zeit begonnen, die Gentherapie für Patienten zuzulassen. Mit zunehmendem Innovationstempo steigen auch die Chancen. Es wird erwartet, dass den Patienten bis zum Ende des nächsten Jahrzehnts 10 bis 20 Gentherapien pro Jahr zur Verfügung stehen.

Wir haben gesehen, wie sich mit neuen Methoden in der Biologie nicht nur die Medizin verändert, sondern auch der Lebensmittelmarkt, die Landwirtschaft und sogar die Software selbst (mithilfe von DNA-Computern ). Biologie ist heute Informationstechnologie vor 50 Jahren: Genau wie Software wird sie eines Tages Teil jeder Branche.

In Zukunft werden Technologieunternehmen die dominierenden Akteure auf dem Gesundheitsmarkt sein. So wie Cloud-Dienste den Prozess der Gründung eines Technologieunternehmens beschleunigten und vereinfachten, reduzierten die gemeinsame Nutzung von Laboreinrichtungen und WLA (einem Cloud-Tool, mit dem Wissenschaftler ohne Programmierkenntnisse Experimente durch Robotersteuerung durchführen können) die Kosten und die Geschwindigkeit der Gründung eines Bio-Startups mit Null.

Egal wie aufregend die Aussichten auf leistungsstarke neue Medikamente auch sein mögen, Erfolg wird durch zunehmende Komplexität erzielt. Neben der Verbesserung von Wissenschaft und Technik müssen auch die Infrastruktur der Industrie ausgebaut, die Kosten gesenkt und die Lieferkette der einzelnen Arzneimittel für den Patienten verbessert werden. Die Biotechnologie wird sich im nächsten Jahrzehnt auf die Lösung dieser Probleme konzentrieren.