Biologie pour les programmeurs: comment une approche d'ingénierie change le monde

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Les partenaires du fonds de capital-risque Andreessen Horowitz, les experts en investissement biotechnologique Jorge Conde, Vijay Pande et Julie Yu ont écrit un manifeste sur le rôle des principes d'ingénierie dans la création d'innovation en biologie, dont les principales idées ont formé la base de ce billet.

L'humanité est sur le point de faire passer la biologie de la science empirique à la discipline d'ingénierie. Pendant des millénaires, des approches technogéniques ont été utilisées pour influencer les systèmes vivants, mais maintenant nous avons commencé à utiliser nos propres mécanismes de la nature - en utilisant l'ingénierie biologique - pour concevoir, adapter et transformer la vie elle-même.

L'hypothèse, la vérification, la révision des données est une science empirique. Cependant, l'ingénierie ne fonctionne pas tout à fait comme ceci: vous utilisez des pièces que vous connaissez et comprenez bien pour concevoir et créer quelque chose, comme un logiciel. Nous sommes bons à écrire des programmes - en partie parce que nous avons commencé à les faire à partir de zéro. Néanmoins, l'idée de transférer la pensée de l'ingénierie à la biologie, qui a évolué des milliards d'années sans intervention humaine, a pris racine.

Médicament comme code

Le concept de l'un des systèmes pour le développement rapide des médicaments.

Tout comme les programmeurs préfèrent travailler à partir de zéro quand il s'agit de tâches techniques, les biologistes et les développeurs peuvent désormais créer des choses complètement nouvelles. Le premier grand pas dans cette direction a été franchi il y a 41 ans lorsqu'une insuline humaine génétiquement modifiée a été créée au Beckman Research Institute avec la participation de Genentech utilisant la technologie de l'ADN recombinant (artificiel).

L'approche d'ingénierie change fondamentalement les méthodes de diagnostic, de traitement et de gestion des maladies. Aujourd'hui, des outils tels que CRISPR permettent de programmer la biologie avec une précision croissante de libération en libération, à commencer par des bactéries conçues pour produire de nouveaux produits chimiques et protéines, pour finir avec des cellules entraînées à lutter contre le cancer.

Une percée dans la technologie des «médicaments programmés» (sous forme de gènes, de cellules, de microbes et même d'applications mobiles et de logiciels pouvant affecter la santé) nous rapproche du prochain paradigme de la médecine. Et la percée est très opportune: en moyenne, un seul des 20 médicaments en cours de développement est efficace directement dans le corps humain. Il est tout simplement incroyable que nous trouvions généralement un médicament efficace, étant donné que les gens sont le produit MVP de milliards d'années d'évolution avec le code de spaghetti le plus incroyable de l'histoire.


Comme les nouveaux médicaments sont des systèmes d'ingénierie et sont de nature programmable, le processus de création de nouveaux médicaments devient itératif - du développement d'une molécule dans un but spécifique au développement d'une plate-forme sur laquelle de nombreux futurs médicaments peuvent être construits. Par exemple, la société biotechnologique Ginkgo Bioworks, au lieu de produire des antibiotiques plus efficaces, a créé une bio - imprimante, à l'aide de laquelle il est possible d'imprimer des souches de bactéries qui rivalisent avec des micro-organismes résistants.

Médecine 2.0

Des scientifiques de l'Université de Cambridge (Royaume-Uni) ont créé des bactéries E. coli avec un génome entièrement synthétique.

Comme les logiciels constamment mis à jour, les médicaments programmables s'améliorent dans les générations futures. Par exemple, la méthode de thérapie par cellules T CAR implique l'introduction des propres lymphocytes T du patient artificiellement programmés pour reconnaître la «cible» (cellules tumorales), et chaque nouvelle version des cellules T CAR construites sera plus compliquée que la précédente. Dans le même temps, en raison de l'optimisation du processus technique, le coût de la méthode diminuera (actuellement, il est d'environ 500 000 $).

L'aspect modulaire de la production de médicaments signifie qu'il est plus facile de créer de nouvelles solutions en réutilisant des composants communs.Nous arrivons ainsi à l'analogue des systèmes d'automatisation de conception d'appareils électroniques ( EDA ), qui nous permettent de simuler les appareils en cours de développement et d'étudier leur travail avant d'être introduits dans l'équipement.

Grâce aux progrès de l'apprentissage automatique, les ordinateurs nous fournissent de nouvelles méthodes de diagnostic et de traitement dans ce que l'on appelle aujourd'hui la médecine 2.0. De grandes quantités d'informations sont présentées dans des images «compréhensibles» pour les machines avec une quantité suffisante de données étiquetées: par exemple, en microscopie, radiologie, pathologie, etc. D'autres ensembles de données sont intrinsèquement assez proches d'images qui sont «compréhensibles» par les réseaux de neurones - la séquence d'ADN ou de protéines peut être considérée comme un ensemble de nombres très longs.

Le mode de vie comme médecine programmée

Espérance de vie dans les tribus existantes d'un niveau primitif - Hadza, Heavi, aborigènes australiens, Yanomamo et ainsi de suite. (hors mortalité infantile).

Tous les nouveaux traitements ne sont pas associés à des molécules. Il y a une vieille blague selon laquelle les plombiers ont sauvé plus de vies que les médecins: l'amélioration des systèmes d'égouts a eu un grand impact sur l'espérance de vie. En fait, le mode de vie est un médicament incroyablement efficace.

Selon l'OMS, l'état de santé humaine est déterminé par quatre facteurs principaux: le mode de vie (≈50%), l'hérédité (≈20%), le climat et l'écologie (≈20%) et le niveau des soins de santé (≈10%). Aux États-Unis, 3 billions de dollars sont dépensés chaque année pour maintenir le dernier élément, et changer les modèles de comportement humain vers un mode de vie sain à ce stade peut être beaucoup plus efficace pour améliorer la qualité du bien-être physique, mental et social. Une approche technologique sera utile ici.

Les téléphones, montres intelligentes, lecteurs de glycémie, tensiomètres et autres appareils génèrent une énorme quantité de données dans lesquelles l'apprentissage automatique peut révéler les nuances cachées du comportement humain. Par exemple, la comparaison des données sur l'heure du déjeuner, sur votre activité pendant la journée, sur la durée du sommeil révèlera des erreurs de comportement qui entraîneront finalement un risque important pour votre santé.

La technologie change beaucoup le comportement. Déjà aujourd'hui, vous pouvez télécharger des applications mobiles pour traiter des maladies chroniques complexes telles que le diabète et les troubles cognitifs .

Conclusion: la biologie de l'ingénieur pour transformer le monde

Aux États-Unis, il n'y a pas si longtemps, ils ont commencé à approuver la thérapie génique pour les patients. À mesure que le rythme de l'innovation s'accroît, les opportunités s'accroissent. Il est prévu que d'ici la fin de la prochaine décennie, 10 à 20 thérapies géniques par an seront disponibles pour les patients.

Nous avons vu comment, en utilisant de nouvelles méthodes en biologie, non seulement la médecine évolue, mais aussi le marché alimentaire, l'agriculture et même le logiciel lui-même (en utilisant des ordinateurs à ADN ). La biologie est aujourd'hui la technologie de l'information il y a 50 ans: tout comme les logiciels, elle fera un jour partie de toutes les industries.

À l'avenir, les entreprises technologiques deviendront les acteurs dominants du marché de la santé. Tout comme les services cloud ont accéléré et simplifié le processus de création d'une entreprise technologique, l'utilisation conjointe des installations de laboratoire et de WLA (un outil cloud avec lequel un scientifique sans connaissances en programmation peut mener des expériences grâce au contrôle robotique) a considérablement réduit le coût et la vitesse de lancement d'une bio-startup avec zéro.

Peu importe à quel point les perspectives de nouveaux médicaments puissants peuvent sembler excitantes, le succès est obtenu en augmentant la complexité. En plus d'améliorer la science et l'ingénierie, il est également nécessaire de développer l'infrastructure de l'industrie, de réduire les coûts et d'améliorer la chaîne d'approvisionnement des médicaments individuels pour le patient. La biotechnologie se concentrera sur la résolution de ces problèmes au cours de la prochaine décennie.