Следующая революция в области программного обеспечения: программирование живых клеток
-
0:01 - 0:05Вторая половина XX века
была полностью определена -
0:05 - 0:07технологической революцией:
-
0:07 - 0:09революцией программного обеспечения.
-
0:09 - 0:14Возможность программирования
электронов на кремниевых материалах -
0:14 - 0:17дала начало таким технологиям,
компаниям и индустриям, -
0:17 - 0:21которые многие из нас
не могли себе даже представить, -
0:21 - 0:25но которые уже полностью
изменили нашу жизнь. -
0:26 - 0:28Однако первая половина нынешнего столетия
-
0:28 - 0:32будет изменена революцией
нового программного обеспечения: -
0:32 - 0:35революцией программного
обеспечения живых систем. -
0:35 - 0:39Это возможно посредством
биохимического программирования -
0:39 - 0:41на биологических материалах.
-
0:41 - 0:45Это позволит нам использовать
биологические свойства -
0:45 - 0:48для создания новых видов терапии,
-
0:48 - 0:50восстановления повреждённых тканей,
-
0:50 - 0:53перепрограммирования неисправных клеток
-
0:53 - 0:57или даже создания программируемых
операционных систем с помощью биохимии. -
0:58 - 1:02Если мы это поймём,
а нам нужно это понять, -
1:02 - 1:04влияние новой технологии
будет настолько огромным, -
1:04 - 1:08что по сравнению с ней первая
программная революция будет ничтожна. -
1:08 - 1:12Потому что революция живого ПО
перевернёт всю медицину, -
1:12 - 1:14сельское хозяйство и энергетику,
-
1:14 - 1:18и это секторы перегоняют те,
в которых доминируют IT-технологии. -
1:19 - 1:23Представьте себе программируемые растения,
фиксирующие азот более эффективно -
1:23 - 1:26или противостоящие возникающим
грибковым патогенам, -
1:26 - 1:29или даже модификацию урожая
в многолетний вместо годичного, -
1:29 - 1:32чтобы вы смогли каждый год
удваивать свой урожай. -
1:32 - 1:34Это изменит сельское хозяйство
-
1:34 - 1:38и то, как мы будем кормить
растущее мировое население. -
1:39 - 1:41Или же представьте себе
программируемый иммунитет: -
1:41 - 1:45созданные и использующиеся молекулярные
устройства, благодаря которым иммунитет -
1:45 - 1:49распознаёт, уничтожает
или даже предотвращает болезни. -
1:49 - 1:51Это изменит медицину
-
1:51 - 1:54и то, как мы будем поддерживать здоровье
растущего и стареющего населения. -
1:56 - 2:00У нас уже есть много инструментов
для осуществления ПО живых систем. -
2:00 - 2:02Мы можем редактировать гены
с помощью CRISPR. -
2:02 - 2:04Мы можем переписывать
генетический код -
2:04 - 2:05по одному нуклеотиду зараз.
-
2:05 - 2:10Мы даже можем создавать
функционирующие синтетические цепи из ДНК. -
2:10 - 2:13Мы ещё не знаем, как с этим обращаться:
-
2:13 - 2:15мы всё ещё идём по пути проб и ошибок,
-
2:15 - 2:19и для этого требуются глубокие знания
и годы специализации. -
2:19 - 2:22А экспериментальные закономерности
трудно обнаружить -
2:22 - 2:25и ещё чаще трудно воспроизвести.
-
2:25 - 2:30Биологи обычно сосредоточиваются
на отдельных частях, -
2:30 - 2:33но мы все понимаем,
что нельзя понять полёт, -
2:33 - 2:34изучая только перья.
-
2:35 - 2:39Поэтому биопрограммирование
сложнее компьютерного программирования. -
2:39 - 2:41Более того,
-
2:41 - 2:45живые системы в основном
непохожи на инженерные системы, -
2:45 - 2:47разрабатываемые нами ежедневно.
-
2:48 - 2:52По сравнению с инженерными,
живые системы самогенерируемы, -
2:52 - 2:53они самоорганизованы
-
2:53 - 2:55и работают на молекулярном уровне.
-
2:55 - 2:57И эти молекулярные взаимодействия
-
2:57 - 3:00приводят к надёжному
результату на макроуровне. -
3:00 - 3:03Они могут даже самовосстанавливаться.
-
3:04 - 3:07Представьте себе, например,
скромное домашнее растение, -
3:07 - 3:09как то, что стоит у вас на камине,
-
3:09 - 3:11которое вы забываете поливать.
-
3:12 - 3:15Каждый день, несмотря на вашу
забывчивость, растению нужно проснуться -
3:15 - 3:18и понять, как распределить свои ресурсы.
-
3:18 - 3:22Будет ли оно расти, фотосинтезировать,
давать семена или цвести? -
3:22 - 3:26И это решение должно быть принято
на уровне всего организма. -
3:26 - 3:29Но у растения нет мозга,
чтобы обо всём этом думать. -
3:29 - 3:32Ему приходится обходиться
клетками листьев. -
3:32 - 3:34Они должны среагировать на среду
-
3:34 - 3:37и принять решение,
которое затронет всё растение. -
3:37 - 3:41Должна быть какая-то программа,
которая работает внутри этих клеток, -
3:41 - 3:43которая отвечает на входящие сигналы
-
3:43 - 3:45и определяет дальнейшее действие клетки.
-
3:46 - 3:49Затем эти программы должны распределиться
-
3:49 - 3:50по отдельным клеткам,
-
3:50 - 3:54чтобы те скоординировались,
а растение смогло расти и цвести. -
3:56 - 3:59Если мы поймём работу
этих биологических программ, -
3:59 - 4:02если мы поймём биопрограммирование,
-
4:02 - 4:06это перевернёт наше понимание
того, как и почему -
4:06 - 4:08клетки делают то, что они делают.
-
4:08 - 4:10Потому что, если мы поймём эти программы,
-
4:10 - 4:12мы сможем исправлять их при необходимости.
-
4:12 - 4:17Или же они могли бы научить нас
проектировать синтетические цепи, -
4:17 - 4:21использующие вычислительную
мощь биохимии в полной мере. -
4:22 - 4:25Увлечённость этой идеей
привела меня к научной карьере -
4:25 - 4:29на стыке математики,
компьютерных технологий и биологии. -
4:29 - 4:32В своей работе я фокусируюсь
на концепции о том, -
4:32 - 4:34что биология —
это вычислительные операции. -
4:34 - 4:37Отсюда возникает вопрос:
что же вычисляют клетки, -
4:38 - 4:41и как мы можем выявлять,
как работают эти биологические программы? -
4:42 - 4:46Я начала задавать эти вопросы
вместе со своими замечательными коллегами -
4:46 - 4:48в Microsoft Research
и Кембриджском университете. -
4:48 - 4:50Мы все хотели разобраться
-
4:50 - 4:55в биологической программе,
выполнямой в уникальных клетках — -
4:55 - 4:57это эмбриональные стволовые клетки.
-
4:57 - 5:00Они уникальны, потому что
совершенно «наивны». -
5:00 - 5:02Они могут стать любой другой клеткой:
-
5:03 - 5:05клеткой мозга, сердца,
костной ткани, лёгкого, -
5:05 - 5:07любой клеткой взрослого человека.
-
5:07 - 5:09«Наивность» является
их отличительной чертой, -
5:09 - 5:12но она поразила воображение
научного сообщества, -
5:12 - 5:15осознавшего потенциал этих клеток
-
5:15 - 5:17для использования в медицине.
-
5:18 - 5:21Если мы поймём, как такие клетки
принимают решение -
5:21 - 5:23стать тем или иным типом клеток,
-
5:23 - 5:24мы могли бы использовать их
-
5:24 - 5:29для генерирования клеток,
нужных для замены повреждённых тканей. -
5:30 - 5:33Но при осуществлении этой идеи
возникают проблемы, -
5:33 - 5:36во многом потому, что эти клетки
-
5:36 - 5:38образуются всего лишь
через шесть дней после зачатия. -
5:39 - 5:41А затем примерно за один день исчезают.
-
5:41 - 5:43Они расходятся в разных направлениях,
-
5:43 - 5:46формирующих структуру
и органы взрослого организма. -
5:48 - 5:51Но оказывается, что судьба
клеток более пластична, -
5:51 - 5:52чем мы это себе представляли.
-
5:52 - 5:57Около 13 лет назад учёные показали
нечто по-настоящему революционное. -
5:57 - 6:02Вживив всего несколько
генов во взрослую клетку, -
6:02 - 6:04например, в эпителиальную клетку,
-
6:04 - 6:08можно вернуть эту клетку
обратно в «наивное» состояние. -
6:08 - 6:11Такой процесс называется
«перепрограммированием». -
6:11 - 6:14Он позволяет нам представить себе
своего рода утопию стволовых клеток, -
6:14 - 6:18возможность взять образец клеток пациента,
-
6:18 - 6:20вернуть их в «наивное» состояние
-
6:20 - 6:22и использовать их для пациента,
-
6:22 - 6:25в каких бы клетках
он ни нуждался — мозга или сердца. -
6:27 - 6:28Но в последнее десятилетие
-
6:28 - 6:31изменение предназначения клетки
-
6:31 - 6:34всё так же остаётся
процессом проб и ошибок. -
6:34 - 6:38Даже в тех случаях, когда мы выработали
успешные экспериментальные инструкции, -
6:38 - 6:40они по-прежнему неэффективны,
-
6:40 - 6:44и у нас нет фундаментальных знаний
о том, как и почему они работают. -
6:44 - 6:48Если вы выяснили, как превратить
стволовую клетку в клетку сердца, -
6:48 - 6:51это не значит, что вы также можете
превратить стволовую клетку -
6:51 - 6:52в клетку мозга.
-
6:53 - 6:56Поэтому мы хотели понять
биологический процесс, -
6:56 - 6:58протекающий внутри
эмбриональных стволовых клеток, -
6:58 - 7:02а понимание вычислений,
произведённых живой системой, -
7:02 - 7:06начинается с невероятно простого вопроса:
-
7:06 - 7:09«Что на самом деле должна делать система?»
-
7:10 - 7:13В информатике есть набор стратегий
для определения того, -
7:13 - 7:17что собственно делают
программные и аппаратные средства. -
7:17 - 7:19Когда вы пишете программу,
вы кодируете часть ПО -
7:19 - 7:21и хотите, чтобы ПО работало правильно,
-
7:21 - 7:23было достаточно быстрым и функциональным,
-
7:23 - 7:25а также не содержало ошибок.
-
7:25 - 7:26Они могут дорого обойтись.
-
7:26 - 7:28Когда разработчик пишет программу,
-
7:28 - 7:30он может записать набор спецификаций,
-
7:30 - 7:32которые ваша программа
должна осуществить. -
7:32 - 7:34Возможно, она должна сравнить два числа
-
7:35 - 7:37или расположить числа
в возрастающем порядке. -
7:37 - 7:42Существует технология,
позволяющая автоматически проверять, -
7:42 - 7:44удовлетворены ли спецификации,
-
7:44 - 7:47выполняет ли программа то,
что она должна делать. -
7:47 - 7:50Наша идея заключалась в том,
что аналогичным образом -
7:50 - 7:53экспериментальные наблюдения
и измерения в лаборатории -
7:53 - 7:58соответствуют спецификациям того,
что должна делать биопрограмма. -
7:59 - 8:01Нужно было найти способ
-
8:01 - 8:04закодировать эту новую спецификацию.
-
8:05 - 8:08Допустим, вы занимаетесь
исследованием генов в лаборатории, -
8:08 - 8:11и вы обнаружили, что если ген А активен,
-
8:11 - 8:14то гены В или С тоже активны.
-
8:15 - 8:18Можно записать это наблюдение
как математическое выражение, -
8:18 - 8:21используя язык логики:
-
8:21 - 8:23если А, тогда В или С.
-
8:24 - 8:27Это очень простой пример,
-
8:27 - 8:28всего лишь для иллюстрации.
-
8:28 - 8:31Можно закодировать сложные выражения,
-
8:31 - 8:36отражающие поведение во времени
различных генов и белков -
8:36 - 8:38в разных экспериментах.
-
8:39 - 8:41Перевод наблюдений
-
8:41 - 8:43в математические выражения
-
8:43 - 8:47позволяет проверить,
могут ли эти наблюдения -
8:47 - 8:52быть результатом
генетических взаимодействий. -
8:52 - 8:54И именно для этого
мы разработали один метод. -
8:55 - 8:58С его помощью мы кодировали наблюдения
-
8:58 - 8:59в математические выражения,
-
8:59 - 9:03а потом выясняли,
какая генетическая программа -
9:03 - 9:04может всё это объяснить.
-
9:05 - 9:08Мы применяем этот метод,
-
9:08 - 9:12чтобы раскрыть генетическую программу
внутри эмбриональных стволовых клеток -
9:12 - 9:16и узнать, как привести эти клетки
в «наивное» состояние. -
9:16 - 9:19Этот метод был создан
на основе программы, -
9:19 - 9:23широко используемой
для обычной проверки ПО. -
9:24 - 9:26Мы начали с набора из 50 спецификаций,
-
9:26 - 9:30созданных нами на основании
экспериментальных наблюдений -
9:30 - 9:32над эмбриональными стволовыми клетками.
-
9:32 - 9:35Закодировав эти наблюдения,
-
9:35 - 9:38мы смогли обнаружить первую
молекулярную программу, -
9:38 - 9:40объясняющую их.
-
9:40 - 9:43Это само по себе достижение, не так ли?
-
9:43 - 9:46Вы не сможете
сопоставить все эти наблюдения -
9:46 - 9:49в спешке на клочке бумаге,
-
9:49 - 9:52даже если он очень большой.
-
9:52 - 9:54Поняв это,
-
9:54 - 9:56мы смогли продвинуться ещё на один шаг.
-
9:56 - 9:59Мы смогли использовать эту программу
для предсказания действий клетки -
9:59 - 10:01в ещё не изученных нами условиях.
-
10:01 - 10:04Мы смогли попробовать программу
в компьютерной симуляции. -
10:05 - 10:06Мы поступили так:
-
10:06 - 10:09мы выдвинули предположения
и протестировали их в лаборатории. -
10:09 - 10:12Мы обнаружили, что программа
даёт очень предсказуемые результаты. -
10:12 - 10:15Благодаря ей мы поняли,
как ускорить превращение -
10:15 - 10:18в «наивное» состояние
быстро и эффективно. -
10:18 - 10:21Мы узнали, на какие гены ориентироваться
-
10:21 - 10:23и какие гены могут
задерживать этот процесс. -
10:23 - 10:28Оказалось даже, что программа предсказала
порядок, в котором гены будут включаться. -
10:29 - 10:32Этот подход помог нам раскрыть динамику
-
10:32 - 10:35действий клеток.
-
10:36 - 10:39Это подход можно применять
не только к стволовым клеткам. -
10:39 - 10:42Он позволяет понять вычисления,
-
10:42 - 10:44производимые клетками
-
10:44 - 10:47в контексте генетических взаимодействий.
-
10:47 - 10:49Это лишь кирпичик.
-
10:49 - 10:52Этой области срочно нужны новые подходы,
-
10:52 - 10:54чтобы понять биологические вычисления шире
-
10:54 - 10:56и на разных уровнях,
-
10:56 - 11:00начиная с ДНК и заканчивая
информационным потоком между клетками. -
11:00 - 11:03Только такое понимание
-
11:03 - 11:08даст нам возможность использовать биологию
прогнозируемо и надёжно. -
11:09 - 11:12Но чтобы запрограммировать биологию,
нам нужно создать -
11:12 - 11:14инструменты и языки взаимодействия,
-
11:14 - 11:18которые бы позволили и экспериментаторам,
и специалистам по теории вычислений -
11:18 - 11:20конструировать биологические функции
-
11:20 - 11:24так, чтобы они составляли
машинный код клетки, -
11:24 - 11:25её биохимию,
-
11:25 - 11:27чтобы мы могли выстроить такие структуры.
-
11:27 - 11:31Это что-то сродни
живому программному компилятору, -
11:31 - 11:33и я горжусь тем, что работаю
в группе Microsoft, -
11:33 - 11:35занимающейся его созданием.
-
11:35 - 11:39Хоть и будет преуменьшением
назвать это большим вызовом, -
11:39 - 11:40но если это получится,
-
11:40 - 11:44это свяжет окончательно
ПО с «мозгами» живых систем. -
11:45 - 11:48В широком смысле, программируемая биология
будет возможно только тогда, -
11:48 - 11:53когда мы сможем сделать
эту область междисциплинарной. -
11:53 - 11:56Нужно соединить
физические и биологические науки, -
11:56 - 11:58и учёные из этих сфер
-
11:58 - 12:01должны быть способны сотрудничать,
используя общий язык -
12:01 - 12:03и решая научные вопросы,
интересующие и тех, и других. -
12:05 - 12:09Это долгая перспектива, но нужно помнить,
что многие корпорации ПО -
12:09 - 12:11и технологии, используемые нами ежедневно,
-
12:11 - 12:13было невозможно представить себе
-
12:13 - 12:16в ту пору, когда мы начинали
программирование на кремниевых микрочипах. -
12:16 - 12:19Задумавшись о потенциале этой технологии,
-
12:20 - 12:22возможной благодаря
вычислительной биологии, -
12:22 - 12:25мы увидим те шаги, которые нам
следует предпринять, -
12:25 - 12:26чтобы претворить это в жизнь.
-
12:27 - 12:30Отрезвляет мысль о том,
что подобными технологиями -
12:30 - 12:32могут злоупотребить.
-
12:32 - 12:34Если мы говорим о возможности
программирования -
12:34 - 12:36иммунных клеток,
-
12:36 - 12:39то должны думать о возможных бактериях,
-
12:39 - 12:41созданных, чтобы заразить их.
-
12:41 - 12:43Кто-то может захотеть это сделать.
-
12:44 - 12:45Обнадёживает то,
-
12:45 - 12:48что — ну, учёных не очень, —
-
12:48 - 12:51что биология — деликатная штука.
-
12:51 - 12:53Программной биологией
-
12:53 - 12:55невозможно заниматься у себя в сарае.
-
12:56 - 12:58Так как мы только начинаем,
-
12:58 - 13:00то можем двигаться с широко
раскрытыми глазами. -
13:00 - 13:03Можем ставить трудные вопросы,
-
13:03 - 13:06заручиться необходимыми гарантиями
-
13:06 - 13:09и, соответственно, задуматься об этике.
-
13:09 - 13:12Нам надо задуматься
об ограничениях при применении -
13:12 - 13:13биологической функции.
-
13:14 - 13:17Исследования в области биоэтики
должны стать приоритетом. -
13:17 - 13:20Их нельзя считать второстепенными,
-
13:20 - 13:22воодушевляясь научными новшествами.
-
13:23 - 13:27Но самый главная награда,
конечная цель этого путешествия — -
13:27 - 13:30прорыв во всех областях,
-
13:30 - 13:34от агрикультуры и медицины
до энергетики и ресурсов, -
13:34 - 13:36и даже в области
компьютерной обработки данных. -
13:36 - 13:38Представьте себе, когда-нибудь
-
13:38 - 13:42мы могли бы экологично
снабжать планету зелёной энергией, -
13:42 - 13:45если бы мы смогли повторить то,
до чего давно додумались растения: -
13:46 - 13:49использовать энергию солнца
с эффективностью, -
13:49 - 13:51несравнимой с солнечными батареями.
-
13:52 - 13:54Если бы мы поняли процесс
квантовых взаимодействий, -
13:54 - 13:58позволяющий растениями так эффективно
использовать солнечный свет, -
13:58 - 14:02мы смогли бы использовать его
при построении синтетических сетей ДНК, -
14:02 - 14:04чтобы улучшить солнечные батареи.
-
14:05 - 14:09Сейчас над этими работают группы учёных,
-
14:09 - 14:12так что если мы привлечём
к этому инвесторов, -
14:12 - 14:15то сможем осуществить это через 10–15 лет.
-
14:15 - 14:19Мы на пороге технологической революции.
-
14:19 - 14:22Понимание элементарных
биологических вычислений — -
14:22 - 14:24важнейший первый шаг.
-
14:24 - 14:26Претворяя это в жизнь,
-
14:26 - 14:29мы начнём эру операционных систем,
-
14:29 - 14:31обслуживающих ПО живых систем.
-
14:31 - 14:32Спасибо вам большое.
-
14:32 - 14:34(Аплодисменты)
- Title:
- Следующая революция в области программного обеспечения: программирование живых клеток
- Speaker:
- Сара-Джейн Данн
- Description:
-
Клетки в нашем теле, как и программное обеспечение компьютера, запрограммированы исполнять определённые функции в определённое время. Если мы сможем лучше понять данный процесс, мы сможем открыть возможность перепрограммирования этих клеток, говорит компьютерный биолог Сара-Джейн Данн. В своём выступлении, касающемся передовых научных достижений, она объясняет, как её группа изучает эмбриональные стволовые клетки, чтобы разобраться в биологических программах, обеспечивающих жизнедеятельность, и разработать «программы живых систем», которые смогут преобразовать медицину, сельское хозяйство и энергетику.
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 14:47
Retired user approved Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Retired user edited Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Retired user edited Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Natalia Savvidi accepted Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Natalia Savvidi edited Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Natalia Savvidi edited Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Natalia Savvidi edited Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Natalia Savvidi edited Russian subtitles for The next software revolution: programming biological cells |