生物學現在正處於向資訊科學歷史性過渡的早期階段,同時也在獲得重程式設計生命古老資訊系統的工具。我們很少有人能幾個月不更換電子裝置中使用的軟體程式,然而我們細胞內稱為基因的 23,000 個軟體程式在數千年內沒有明顯變化(儘管最近的研究表明,其中一些基因在幾百年前才發生變化)。
醫學過去常常是碰運氣。我們會透過“藥物發現”找到一些能發揮明顯有益作用的東西,例如降低血壓,但由於缺乏對這些干預措施如何起作用的有效模型,許多此類藥物最終被證明是具有不可預見的副作用的粗糙工具。我們現在開始將生物學理解為一套資訊過程,並且我們正在開發關於疾病和衰老程序的現實模型和模擬。此外,我們正在開發重程式設計它們的工具。
RNA干擾 (RNAi) 是科學界在過去幾年才瞭解到的,它可以透過阻斷這些基因產生的信使 RNA 來關閉特定的基因。由於病毒性疾病、癌症和許多其他型別的疾病在某些關鍵點依賴於基因表達,RNAi 預示著一項突破性技術。我們想要關閉的一個基因的例子是脂肪胰島素受體基因,它告訴脂肪細胞抓住每一卡路里。在 Joslin 糖尿病中心的一項研究中,當小鼠脂肪細胞中的該基因被阻斷時,這些小鼠吃了很多東西但仍然保持苗條和健康。它們壽命延長了近 20%,獲得了熱量限制的好處而無需食物限制。1
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將有益基因新增到患者體內的創新方法開始克服基因治療的障礙,這些障礙通常涉及將修改後的遺傳資訊精確定位在基因組內的困難。我提供諮詢的聯合療法公司開發了一種體外修飾細胞的技術,驗證新的遺傳資訊是否已正確插入,將修飾後的細胞複製數百萬次,然後將修飾後的細胞注射回血液中,它們會將自己嵌入到正確的組織中。在動物中,這種方法已經治癒了致命的肺動脈高壓;現在正在進入人體試驗。
我們也有了啟用和停用酶的新方法,酶是生物學的骨幹力量。例如,輝瑞公司的化合物 Torcetrapib 抑制了破壞高密度脂蛋白 (HDL)(好膽固醇)的酶,從而使 HDL 水平飆升。第二階段 FDA 試驗表明,該藥物可有效阻止動脈粥樣硬化,這是大多數心臟病發作的原因。輝瑞公司正在第三階段試驗中投入創紀錄的 10 億美元。
另一條重要的攻擊路線是重新生長我們自己的細胞、組織甚至整個器官,並將它們引入我們的體內而無需手術。這種“治療性克隆”技術的一個主要好處是能夠從我們自己的細胞版本中建立組織和器官,這些細胞版本透過糾正 DNA 錯誤和衰老相關變化(例如染色體末端端粒的收縮)而變得“更年輕”。這種能力構成了新興的再生醫學領域。例如,我們將能夠從您的皮膚幹細胞中建立新的心臟細胞,並透過血液將它們引入您的系統中。隨著時間的推移,新細胞將取代您的舊細胞,從而形成具有您自己(已糾正)DNA 的年輕心臟。
合理的藥物設計已經存在了 20 年,但直到最近我們才擁有完成它所需的必要遺傳資料、資訊模型和重程式設計工具。雖然今天市場上幾乎所有的藥物都是透過傳統的藥物發現方法制造的,但大多數新藥的開發都在應用這些越來越智慧的靶向療法。
羅切斯特大學和總部位於波士頓的 StemCapture, Inc. 正在開發的植入物,模仿幹細胞在血管內皮中尋找損傷訊號的機制,這些訊號表明需要修復。這種搜尋機制的關鍵分子被塗覆在裝置上,以從血液中捕獲幹細胞。DNA 或 RNAi 分子也可以撒在分子塗層上,以糾正捕獲的幹細胞中的遺傳錯誤和衰老相關變化。2
奈米技術可以超越生物學的侷限性。哈佛大學和麻省理工學院的研究人員設計了帶有適體的奈米顆粒,適體是可以識別癌細胞表面分子的遺傳片段。這些奈米顆粒可以附著在癌細胞上,鑽入內部並釋放毒素來摧毀它。3
另一位科學家用一種含有 7 奈米孔的奈米工程裝置治癒了老鼠的 I 型糖尿病,該裝置可以控制地釋放胰島素,同時阻斷抗體。還有數百個這樣的例子。
我們理解甚至重程式設計大腦的能力,儘管處於早期階段,也在加速發展。我們每年都在將大腦掃描中體素(3D 體積)的空間解析度翻一番。最新一代體內掃描器可以即時成像單個神經元間的連線。已經證明了大約 24 個大腦區域的有效模擬,並且 IBM 已經開始一項雄心勃勃的計劃,以詳細的水平模擬大腦皮質的相當一部分。4
越來越多的人工神經植入物可以取代患病組織,例如 FDA 批准的帕金森氏病患者植入物,最新一代植入物允許患者從體外下載軟體更新。5、6
現在生物學正在成為一種資訊科技,它受制於我所說的“加速回報定律”。包括生物學在內的資訊科技,其價效比和容量在不到一年的時間內翻一番。例如,DNA 測序的價格每年下降一半,從 1990 年的每鹼基對 10 美元降至今天的不到一美分。7 我們測序的遺傳資料量每年增加一倍以上。我們花了 15 年的時間來測序 HIV,但我們僅用了 31 天就測序了 SARS 病毒。這種翻一番的速度意味著,在不到 10 年的時間裡,我們將使這些技術的能力提高 1,000 倍,並在 25 年內提高 10 億倍。
1800 年,人類的平均壽命只有 37 歲。8 諸如衛生、抗生素和其他醫學進步等技術在 200 年內使其翻了一番以上。我們重程式設計生物學資訊過程的能力將再次大幅提高,但由於資訊科技固有的加速,這種進展將更快。我預計在 15 年內,我們將每年為剩餘的預期壽命增加一年以上。所以我的建議是:在更長一段時間內以傳統方式照顧好自己,你可能會體驗到未來非凡的世紀。
1Flier SN, Kulkarni RN & Kahn CR. 2001. Proc. Nat. Acad. Sci. USA., 98:7475-7480.
2King, M.R. 和 Hammer, D.A. 2001. 多粒子粘附動力學。穩定滾動細胞之間的相互作用。 Biophys. J. 81:799-813.
3Farokhzad, O.C. 等人。2006. 用於體內癌症化療的靶向奈米顆粒-適配體生物結合物。 Proc. Nat. Acad. Sci. 103: 6315-6320 http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/103/16/6315。
4Graham-Rowe, D. 模擬大腦的構建任務開始。2005. NewScientist.com 新聞服務。http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7470.
5Berger TW, 等人。2005. 恢復失去的認知功能。IEEE Eng Med Biol Mag. 24(5):30-44. http://cogsci.ucsd.edu/~desa/200/2005_09_EMBS.pdf.
6Abbott, A. 2002. 腦植入物在治療強迫症方面顯示出希望。Nature. 419: 658.
7Carlson, R. 生物技術的速度和擴散。2003. 生物安全與生物恐怖主義:生物防禦戰略、實踐和科學 第 1 卷第 3 期。 http://www.kurzweilai.net/meme/frame.html?main=/articles/art0614.html.
7Oeppen, J 和 Vaupel, J.W. 2002. 壽命預期打破極限。Science 296.5570,1029-3.