Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Нерс считает, что попытка понять клетки на химическом уровне является непосильной задачей, и логичнее рассматривать клетку как знаменитый черный ящик – понять, как она справляется с вводом и выводом информации. Тогда можно было бы, например, классифицировать коллективные клеточные химические реакции внутри ящика как «модули», которые могут участвовать в динамике внутриклеточной коммуникации, включая петли обратной связи, переключатели, таймеры, генераторы и усилители. Два классических примера включают рассмотрение ДНК как устройства хранения цифровой информации и лактозного оперона (lac operon), участка кода ДНК, необходимого для транспорта и метаболизма лактозы в E. coli и других бактериях. Lac operon можно рассматривать как логический вентиль, нелинейную петлю отрицательной обратной связи, которая активируется при условии «лактоза, А НЕ глюкоза».

Самое сложное – выяснить, как разнообразные и многочисленные молекулярные взаимодействия в сложной клеточной биохимии отображаются на логических модулях. Причина, по которой это не так просто, заключается в том, что, как указывает Нерс, живые машины не спроектированы, а сами стали слишком сложными и содержат бесконечную избыточность. Другая причина, по которой логика жизни запутана, – составляющие ее молекулы могут объединяться во многих различных комбинациях[378]. Есть надежда, что, когда эти модули «подключатся» посредством таких процессов, как реакции, диффузия и цитоскелетный транспорт, при которых «скелет» клетки перемещает клеточные компоненты, можно будет понять, как клетка организована в трех измерениях. Это также означает, что разная информация может храниться в разных местах, а самые разнообразные связи между логическими модулями могут то усиливаться, то ослабевать из-за диффузии биохимических веществ в течение жизни клетки[379].

Такое описание освободило бы нас от необходимости понимать все химические процессы внутри клеток, точно так же, как принципиальная схема резисторов, транзисторов и т. д. освобождает нас от необходимости знать, что на самом деле делают все электроны в электрической цепи. «Нам необходимо сосредоточиться на том, как информация управляется в живых системах и как это приводит к биологическим явлениям более высокого уровня», – говорит он[380].

Это значит выяснить, как информация собирается из окружающей среды, из других клеток, а также из краткосрочной и долгосрочной памяти клетки, а затем интегрируется, отбрасывается, обрабатывается или сохраняется для дальнейшего использования. «Цель состоит в том, чтобы описать, как информация проходит через модули и вызывает клеточные явления более высокого уровня, исследования, которые вполне могут потребовать разработки новых методов и языков для описания задействованных процессов». Как и мы, он видит, что самым большим препятствием является разработка необходимой теории, раскрывающей возникающие процессы жизни.

Эксперименты с виртуальной клеткой

Виртуальные клеточные модели в конечном итоге дадут нам свободу исследовать возможные сценарии, наблюдая за последствиями изменения логики жизни или вмешательства в белок с помощью молекулы лекарства. Точно так же, как цифровые двойники сейчас широко используются в инженерии, чтобы, например, увидеть эффект изменения структурного компонента здания, так и гены можно мутировать или удалять из моделей, чтобы понять последствия. Например, в Манчестерском университете (Англия) Хэнгуэй Чжан и его коллеги использовали модели сердечных клеток, чтобы понять влияние генных мутаций, меняющих белок под названием SCN5A, который участвует в генерации электрической активности. Модели выявили давление на кардиостимулятор сердца (синоатриальный узел) и причину нарушения сердечного ритма, называемого синдромом слабости синусового узла, который может привести к внезапной смерти[381].

Большое количество молекул или сигналов внутри клеток влияет на то, как раковые клетки и образования теряют способность прикрепляться к другим клеткам и начинают мигрировать из соседних клеток в сеть белков, известную как внеклеточный матрикс. Факторов слишком много, чтобы один мозг мог их понять, поэтому в Институте науки Гулбенкяна и Институте исследований и инноваций в области здравоохранения в Португалии была создана виртуальная клетка, которая дает больше информации о том, как предотвратить это смертоносное распространение[382].