Я хочу начать с того, чтобы попросить вас всех подумать о том, как вы оказались здесь сегодня вечером.

Я не имею в виду в каком-то философском смысле; такого рода вопросы лучше оставить другим ораторам. Я имею в виду буквально: как вы попали сюда, в Королевский институт?

Если вы похожи на меня, вы полагались на Google Maps, чтобы найти дорогу (хотя я, возможно, вынужден сказать: «Другие поставщики доступны»). Возможно, вы также использовали свой телефон для оплаты проезда в автобусе или метро.

Если вы присоединитесь к нам онлайн – привет всем вам! – вы будете смотреть на телефоне, планшете или ноутбуке. Так что, так или иначе, большинство из нас попали сюда благодаря одному из этих устройств.

Теперь я хочу, чтобы вы подумали об аккумуляторе в вашем телефоне. Скорее всего, это литий-ионный аккумулятор. И если бы вы приехали на электромобиле или автобусе, вы бы тоже зависели от литий-ионного аккумулятора.

Преимущество литий-ионных батарей по сравнению с традиционными щелочными батареями — теми, которые вы все еще можете вставить в пульт от телевизора — заключается в том, что они могут обеспечить больше энергии и их можно перезаряжать. Люди достаточно старые, чтобы полностью зависеть от щелочных батарей для многих других устройств, помимо пульта от телевизора, помнят разочарование, когда они разрядились, — и попытки собрать еще один комплект батарей, чтобы они снова заработали. Наши телефоны могут разрядиться, но их просто и удобно подзаряжать.

Но есть и обратная сторона — все те металлы, которые используются для производства современных батарей и электротехнических изделий, включая литий, кобальт и другие редкоземельные элементы.

Добыть эти металлы сложно. Большинство из них в настоящее время извлекаются и очищаются из соединений в горных породах, процесс, который может быть очень энергоемким, а также очень загрязняющим.

Переработка и повторное использование этих металлов также затруднены.

Это периодическая таблица элементов, созданная Дмитрием Менделеевым, впервые опубликованная в 1869 году и впоследствии представленная здесь, в Королевском институте, примерно 20 лет спустя.

Как вы думаете, сколько элементов используется в электронных изделиях?

Электронные изделия могут содержать до 60 различных элементов — около 52 из них — металлы (это элементы, выделенные синим цветом на слайде), — и в настоящее время мы полагаемся на неэффективные и экологически вредные методы изоляции и переработки отдельных металлов.

Действительно, многие электронные предметы не подлежат переработке. Они просто отправляются на свалку. Это уже серьезная проблема, и она будет только ухудшаться по мере роста мирового спроса на электронику.

А что, если я скажу вам, что исследователи здесь, в Великобритании, обнаружили естественные бактерии, которые способны извлекать и перерабатывать металлы из такого рода отходов?

Снимаю шляпу перед всеми в зале, кто знаком со штаммом бактерий Shewanella oneidensis MR-1, который может удалять марганец из литий-ионных аккумуляторов. Или с бактериями Desulfovibrio alaskensis, которые способны осаждать кобальт из смеси различных металлов и химикатов в литий-ионных аккумуляторах.

Я знаю об этих бактериях только благодаря удивительным исследованиям, проводимым в Великобритании, в том числе группой Луизы Хорсфолл в Эдинбургском университете. Команда Луизы сотрудничает с исследователями со всей страны в рамках проекта ReLib, который выступает за повторное использование и переработку литий-ионных аккумуляторов.

На самом деле, одним из спонсоров этого проекта является Институт Фарадея, флагманская британская программа по исследованию аккумуляторов, названная в честь великого Майкла Фарадея, чей стол стоит передо мной.

На его столе у ​​меня есть несколько предметов, которые помогут объяснить ему, как перерабатывать батарейки.

Команда Луизы в основном сосредоточилась на переработке металлов из больших литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях. Однако они могут быть довольно большими — слишком большими, чтобы я мог привести их сюда сегодня вечером. Тем не менее, многие из вас знают, как выглядит литий-ионный аккумулятор по вашему телефону — и наука, стоящая за тем, как мы можем перерабатывать эти аккумуляторы, ничем не отличается.

Когда литий-ионные батареи достигают конца своего срока службы, их можно разобрать и измельчить с помощью механических методов для получения этого. В этом случае измельченный материал был получен из части батареи, называемой катодом, которая содержит много металлов, которые мы хотим переработать.

После того, как мы растворили этот измельченный материал химическими или биологическими методами, мы получаем этот раствор… называемый выщелачиванием металлов. Он содержит полезные металлы, которые нам интересны, и именно в этот момент мы вводим бактерии, о которых я упоминал ранее.

Бактерии собирают и выделяют определенные металлы в виде крошечных наночастиц, которые мы можем восстановить, чтобы получить что-то вроде этого… это марганец, который команда Луизы произвела способом, который я только что описал, из этого самого процесса! Затем мы можем использовать этот марганец для создания новых батарей или других устройств.

Вы, возможно, задаетесь вопросом, что нам делать с тем, что осталось в выщелачивающем растворе. Ну, после того, как бактерии выполнили свою работу, у нас остается этот биобрин, который богат литием – и напоминает то, что вы можете найти в залежах лития в Южной Америке. Его также можно использовать для изготовления новых батарей.

И я говорю не только об использовании нескольких типов микроорганизмов для улучшения извлечения и переработки 1 или 2 металлов. Похоже, существует множество различных микробов, способных извлекать различные металлы. Действительно, возможно, что бактерии развили эту способность таким образом, чтобы детоксифицировать свою собственную среду, собирая и выделяя вредные металлы и, таким образом, не отравляясь.

Таким образом, если мы используем комбинации этих бактерий и изменим характеристики этих штаммов, мы сможем повысить эффективность очистки и переработки металлов из отходов.

Это слово «твикинг» важно, но оно не отражает всей научной составляющей. На самом деле мы говорим о конструировании существующих микробов для извлечения и переработки металлов.

Извлечение металлов из земли — чрезвычайно дорогой и разрушительный процесс. Выглядит это примерно так:

В нижней части слайда вы видите открытый рудник по добыче марганца.

И как только мы заканчиваем с продуктами, требующими таких металлов, мы выбрасываем их. В верхней части этого слайда показана свалка после пожара. Были сообщения о том, что литий-ионные батареи вызывали пожары на свалках по всему миру.

Благодаря инженерной биологии нам достаточно извлечь металлы из земли один раз; после этого они могут стать частью настоящей экономики замкнутого цикла посредством постоянного повторного использования.

Мы используем физику, химию и инженерию, чтобы извлечь их из земли, но затем мы можем и должны использовать биологию и инженерию, чтобы продолжать их перерабатывать.

И это всего лишь один пример того, что находится в пределах нашей досягаемости благодаря силе и потенциалу научной области, называемой инженерной биологией.

Сегодня я говорю об инженерной биологии, потому что считаю, что она может стать самой значимой отраслью науки на десятилетия вперед.

Я хочу объяснить, почему я так думаю, и поделиться своим энтузиазмом по поводу этой области по двум основным причинам.

Во-первых, наука и техника в этой области, честно говоря, прекрасны.

Вторая — и более важная — причина заключается в том, что как текущие, так и будущие приложения будут иметь огромное значение для повседневной жизни людей в Великобритании и во всем мире.

Я здесь для того, чтобы попытаться убедить вас в обеих этих вещах, но если я смогу убедить вас только в одной, то я хочу, чтобы это было последнее.

Я действительно хочу, чтобы люди осознали, что ученые и инженеры в этой области работают над созданием решений, которые большинство из нас, если не все, согласятся считать необходимыми… даже крайне необходимыми.

Для начала я должен сказать, что как главный научный советник правительства моя роль заключается в консультировании премьер-министра и правительства по всем вопросам, связанным с наукой, технологиями и инженерией.

Работа — и советы — представляют собой смесь проактивной и реактивной работы. Она охватывает все: от предоставления научных и технических консультаций во время чрезвычайной ситуации в стране до объяснения рисков и возможностей вокруг новых технологий, таких как искусственный интеллект и инженерная биология.

Теперь, когда я начал понимать перспективы инженерной биологии, у меня появилась небольшая фора.

Я по образованию математический биолог. Мои собственные исследования были сосредоточены на использовании математических моделей для улучшения нашего понимания эволюции и распространения инфекций, таких как корь и ВИЧ.

Однако у меня нет никакого инженерного или биохимического образования. Поэтому мне пришлось вникать в суть дела в последние несколько лет.

Теперь позвольте мне объяснить, что на самом деле представляет собой инженерная биология.

Инженерная биология подразумевает применение инженерии к биологическим процессам с целью подчинения биологии нашей воле.

Другими словами, это практика использования идей и инструментов, заимствованных из инженерии, для проектирования и модификации живых организмов или биологических систем.

Цель состоит в том, чтобы, используя инструменты и идеи, разработанные за последние десятилетия, разрабатывать новые материалы и источники энергии; улучшать здоровье животных, растений и людей; решать экологические проблемы новыми и устойчивыми способами.

Мы говорим о способности использовать и контролировать биологию предсказуемо, повторяемо и – я уже говорил об этом – с пользой. Иногда это будет означать работу с тем, что уже доступно в природе; в других случаях это будет включать методы генетической модификации.

Позвольте мне немного подробнее остановиться на этом.

Во-первых, с инженерной стороны. Здесь я хочу начать с цикла проектирование-сборка-тестирование-обучение — сокращенно DBTL .

Этот подход уже некоторое время занимает центральное место в разработке продукции в инженерных дисциплинах. Он стимулирует постоянное совершенствование и инновации, ускоряя и повышая эффективность исследований и разработок.

В инженерной биологии метод «проектирование-строительство-тестирование-обучение» применяется к биологическим процессам, под которыми я подразумеваю деятельность, происходящую внутри живых организмов.

По сути, я говорю о разработке чего-то биологического — например, версии клетки, или это может быть биологический процесс (например, деление клетки) или генетически созданная система…

А затем построить его, возможно, в лаборатории…

Затем протестируйте его, чтобы увидеть, насколько хорошо он работает…

И, наконец, возможно, самое главное — извлечь уроки из того, что сработало, а что нет, а затем применить полученные уроки в следующем раунде проектирования, снова и снова внося улучшения в этот цикл, чтобы достичь конечной цели.

Судя по примеру, который я привел в начале, это более эффективный способ переработки металлов.

И почему этот подход необходим? Ну, потому что живые организмы очень сложны, со множеством различных частей и сетей взаимодействий между этими частями.

Можно утверждать, что физические или химические системы немного более просты, более предсказуемы, более легко поддаются количественной оценке. Мы используем этот процесс проектирования-строительства-тестирования-обучения, чтобы подчинить химию и физику нашей воле уже более века – и весьма успешно.

Сложная и зачастую непредсказуемая природа биологических систем означает, что нам необходимо проработать множество вариантов, чтобы получить желаемый результат, — и вот тут-то и вступает в дело инженерия в инженерной биологии.

Если мы сможем правильно реализовать этот подход — а позже я приведу еще несколько примеров, показывающих, где мы уже находимся, — то у нас появится возможность систематически разрабатывать биологические системы для решения некоторых из самых сложных задач, с которыми мы сталкиваемся.

Позвольте мне быть более определенным. Если девятнадцатый век был золотым веком химии, а двадцатый век был тем же самым для физики, я считаю, что двадцать первый век должен стать золотым веком биологии.

Почему я так оптимистичен?

Этот век может принадлежать биологии благодаря ряду выдающихся достижений в научном понимании.

С чего начать? Конечно, мы потратили тысячи лет на изменение живого мира.

Но я не собираюсь возвращаться к одомашниванию диких культур. Я даже не собираюсь возвращаться к Дарвину и Менделю.

Вместо этого я начну с Уотсона, Крика и Уилкинса, а также с часто упускаемой из виду Розалинд Франклин; трое из них получили Нобелевскую премию в 1962 году. Определив структуру ДНК, они открыли то, что мы можем назвать языком биологии.

Понимание структуры ДНК открыло путь к чтению этого сложного языка, его редактированию, а затем и к написанию самим.

Наша способность читать ДНК сделала большой шаг вперед благодаря Уолтеру Гилберту и Фреду Сэнгеру, которые разделили половину Нобелевской премии по химии 1980 года. Гилберт и Сэнгер проделали большую работу, чтобы понять строительные блоки ДНК — нуклеотидный алфавит биологии, если хотите.

Следующим переломным моментом стал 1983 год, когда американский биохимик Кэри Маллис разработал так называемую полимеразную цепную реакцию. Более известную как ПЦР , это лабораторная техника, которая используется для копирования определенных фрагментов ДНК. Представьте себе это как фотокопировальный аппарат для ДНК.

Эта технология позволяет ученым легко и дешево создавать миллионы копий сегментов ДНК из очень малых исходных количеств, что делает возможным считывание ДНК в образце, даже если она присутствует там в крошечных количествах.

Вы все познакомились с ПЦР во время пандемии Covid, когда ее использовали для создания множества копий вирусного генетического материала, чтобы обеспечить надежную диагностику инфекции Covid. Это был тест, при котором вы брали мазок, помещали его в пробирку и затем отправляли по почте. Это было особенно важно на раннем этапе, до того, как у нас появились наборы для домашнего тестирования.    

Изобретение ПЦР также принесло часть Нобелевской премии по химии 1993 года — это ДНК-Нобелевская премия номер 3.

Перенесемся на 10 лет вперед, в 2003 год, когда был завершен проект «Геном человека». Исследователи по всему миру потратили около 13 лет на каталогизацию точной последовательности всей ДНК в клетках человека. Это был огромный труд, и эта первая полная последовательность генома человека обошлась примерно в 2,5 миллиарда фунтов стерлингов.

К счастью, но также и замечательно, что технология секвенирования шагнула далеко вперед за последние 20 лет. Теперь можно секвенировать тот же объем ДНК, который анализировался в рамках проекта «Геном человека», за один день — и всего за несколько сотен фунтов! Мы даже разработали карманные машины, которые способны считывать ДНК в режиме реального времени.

На самом деле, у меня есть 1 здесь: портативное устройство для секвенирования, произведенное Oxford Nanopore. Вы просто добавляете свой образец в середину здесь – он содержит датчик, который поможет прочитать последовательность ДНК вашего образца. Затем просто закройте крышку и нажмите «go». И результаты будут отправлены прямо на ваш ноутбук через кабель USB-C, который подключается к концу здесь.

Это полезно в ситуациях, когда мы не можем отправить образец на анализ и ждать результатов несколько дней — например, если мы срочно пытаемся определить причину инфекции в каком-то отдаленном уголке мира.

Итак… мы научились амплифицировать ДНК с помощью ПЦР и научились быстро считывать ДНК с помощью технологий быстрого секвенирования.

Мы также начали учиться — и подчеркиваю «начали» — точно и аккуратно «редактировать» ДНК.

Раньше, когда мы хотели это сделать, методы были несколько более грубыми — например, генные пушки, которые использовались для того, чтобы буквально выстреливать ДНК в клетки.

Теперь у нас есть такие инструменты, как CRISPR -Cas9 (еще одна технология, удостоенная Нобелевской премии, разработанная Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна), и теперь мы можем взять целевую часть ДНК и очень точно изменить ее в определенных местах. Некоторые сравнивают CRISPR с использованием пары генетических ножниц.

Некоторые из вас, возможно, задаются вопросом, отличается ли инженерная биология от другого распространенного термина: синтетическая биология. Они часто применяются взаимозаменяемо, хотя разные страны интерпретируют их по-разному.

Как я это вижу, синтетическая биология относится к таким инструментам, как CRISPR , используемым для проектирования и создания новых биологических компонентов. Инженерная биология берет эти инструменты — с генетической модификацией или без нее — и использует цикл DBTL для применения этих инструментов в масштабе для поиска решений проблем в окружающем нас мире.

Точность таких инструментов все еще оставляет желать лучшего, но возможности их огромны.

Мы знаем, что некоторые заболевания вызываются мутациями в одном гене. Серповидноклеточная анемия, например, вызывается мутациями в гене бета-глобина, что приводит к образованию деформированных эритроцитов. В результате эти эритроциты не циркулируют по телу так, как должны. Это может привести к тому, что больные — примерно 17 500 человек в Великобритании — будут страдать от анемии, а также от осложнений, таких как ужасная боль и повреждение органов.

В прошлом единственным лечением было регулярное переливание крови или пересадка костного мозга, ни одно из которых не обходилось без рисков или осложнений. Однако исследователи использовали CRISPR для точного редактирования гена, ответственного за серповидноклеточную анемию, с большим успехом — настолько, что в январе этого года лечение было одобрено для использования в NHS как первое в мире лечение заболеваний крови с помощью редактирования генов.

И это лишь одно из многих клинических испытаний по редактированию генов, которые сейчас проводятся, включая лечение заболеваний печени, сердца и некоторых видов рака.

Возможности не ограничиваются человеческими болезнями. Мы можем использовать эти генетические ножницы для разработки культур, которые лучше переносят засуху и более устойчивы к насекомым, поэтому нам не придется так сильно полагаться на пестициды.

И именно эти инструменты используются для модификации бактерий, предназначенных для переработки металлов, о которых я говорил в начале.

Было бы упущением с моей стороны говорить об инструментах будущего, не упомянув ИИ и его преобразующее влияние.

Ярким примером является задача понимания и предсказания того, как белки сворачиваются сложно и точно во всех наших клетках. Расшифровка этого процесса — это то, чего ученые пытаются достичь десятилетиями.

А в 2018 году DeepMind представила свою модель искусственного интеллекта AlphaFold. С тех пор AlphaFold используется для расчета структуры сотен миллионов белков. И, да, она принесла британцу Демису Хассабису долю прошлогодней Нобелевской премии по химии.

Все, чего сейчас не хватает в моей временной шкале, — это возможность спроектировать новый белок с нуля de novo. Это приведет нас в область возможности писать на языке биологии — проектировать и печатать последовательность синтетической ДНК для производства белка с нужными нам свойствами с нуля.

Я только что рассказывал о том, как такие технологии, как искусственный интеллект, и такие инструменты, как CRISPR , помогают расширить спектр биологических возможностей, имеющихся в нашем распоряжении, и повысить нашу способность проектировать и оптимизировать биологические системы.

И все это сопровождается обоснованными опасениями по поводу рисков. Пример, который приходит мне на ум, был, когда ученые в Австралии создали версию мышиного вируса еще в 2001 году, которая вместо того, чтобы вызывать обычные легкие симптомы, убила всех мышей в течение девяти дней. Они проводили невинные генно-инженерные исследования, чтобы попытаться создать мышиную противозачаточную вакцину для борьбы с вредителями, и непреднамеренно нашли способ создать гораздо более смертоносную версию вируса мышиной оспы. Неудивительно, что это вызвало большой резонанс в СМИ – хотя я думаю, хорошо, что такая история не была похоронена.

Я хочу подчеркнуть, что мы должны разработать правильные практики и правила, чтобы гарантировать, что исследования проводятся безопасно и ответственно, но при этом не подавлять инновации.

Мы называем это «ответственными инновациями», и это один из столпов нашего правительственного видения инженерной биологии. Это дало начало новому руководству о том, какие генетические последовательности людям следует заказывать для своих исследований — приветствуем прогресс.

Лидерство Великобритании в такого рода ответственных инновациях, где мы тщательно продумываем желаемые преимущества наших исследований, а также то, как избежать негативных последствий, позволяет нам управлять рисками и использовать все богатство возможностей, которые может предложить инженерная биология.

Есть и другие проблемы, которые нужно преодолеть. Что стоит на пути к использованию инженерной биологии во благо? Я не буду долго останавливаться на этом, потому что вы здесь, чтобы послушать о науке, а не о политике, но важно поговорить о барьерах.

Мы уже говорили о надлежащем регулировании инженерной биологии. Нам также нужны надлежащие способы финансирования фундаментальных исследований, которые движут этой замечательной новой технологией, а также применение этих исследований, которые позволяют нам решать реальные проблемы. Затем есть еще задача сделать так, чтобы больше людей осознали потенциал прогресса здесь.

Но для меня ключевой областью — а также общей проблемой для всех областей науки и техники — является обеспечение наличия у наших будущих сотрудников необходимых навыков для выполнения будущих работ, которые появятся с появлением новых технологий.

Набор навыков для инженерной биологии особенно широк: эта область представляет собой комбинацию множества различных наборов навыков и образов мышления. В основном мы обучаем людей либо биологам, либо инженерам, и для этой технологии нам нужны люди, которые могут мыслить с использованием обоих этих образов мышления. Поэтому нам нужно подумать о конвейере, который начинается в школах, с детей, получающих правильную основу по ключевым предметам, а также детей, которые слышат о захватывающих карьерах, которые они могут построить, разрабатывая и используя технологии, о которых я говорил.

Я думаю, что жизненно важно, чтобы мы не думали исключительно о технических навыках: навыки общения также чрезвычайно важны. Это замечательно — проводить новаторские, передовые исследования, но нам также нужно уметь объяснять, что это такое и почему люди должны этого хотеть.

До сих пор я немного рассказал вам о том, что такое инженерная биология и как мы дошли до этой точки, готовой к биологическому веку. Я также немного рассказал о рисках и проблемах, но я думаю, что сейчас самое время углубиться в приложения, которые, по моему мнению, так вдохновляют.

Сегодня я представил отчет под названием «Стремления инженерной биологии». Это наша попытка поделиться нашим волнением по поводу возможностей, которые открывает эта технология, — и мы хотим поделиться этим со всеми, моими коллегами в правительстве и также гораздо более широкими кругами.

Он содержит тематические исследования, написанные экспертами из Великобритании, которые иллюстрируют некоторые из разнообразных проблем, которые мы можем решить с помощью инженерной биологии. Микробная экстракция металлов — одна из них. Я хочу выделить некоторые другие в оставшейся части этого выступления — и отметить некоторые из удивительных исследований, которые проводятся в Великобритании.

Одна из причин, по которой я заказал этот отчет, заключается в том, что слишком часто, когда кто-то упоминает инженерную биологию или синтетическую биологию, в примерах упоминаются вакцины или лекарства.

Конечно, это фантастические, важные приложения: с пандемией Covid, которая так свежа в памяти, мы все остро осознаем жизненно важное значение быстрого и эффективного производства вакцин. И я в восторге от тех исследователей, которые могут редактировать ген, вызывающий серповидноклеточную анемию.

Но я хочу убедиться, что мы также проливаем свет на истинную широту возможностей, которые открывает инженерная биология, не только в здравоохранении, но и в сельском хозяйстве, материалах, химической промышленности, энергетике, обороне.

Итак, давайте переключим передачу и подумаем об индустрии моды. В отличие от переработки металла, это сектор, знакомый всем нам. Мы все покупаем и носим одежду, но мы не часто останавливаемся, чтобы подумать о том, откуда она взялась, как ее сделали и во сколько она обошлась окружающей среде.

Оставив в стороне вопросы, связанные с условиями труда и отходами, индустрия моды является одним из крупнейших загрязнителей в мире, на ее долю приходится до 8 процентов выбросов углерода в мире…

Не говоря уже о загрязнении, которое образуется в результате выбрасывания одежды и текстиля на свалки, как эта 1 в Бангладеш, которые никогда не разлагаются.

В то же время 1/5 загрязнения чистой воды во всем мире обусловлена ​​окрашиванием и обработкой текстиля.

Растет также понимание того, какой вред окружающей среде наносят микроволокна, выделяемые одеждой из полиэстера.

Поэтому неудивительно, что множество исследователей и компаний здесь, в Великобритании и за ее пределами, ищут вдохновение в биологических процессах для создания новых материалов, не зависящих от ископаемого топлива или продуктов животного происхождения, таких как кожа.

Вы, возможно, задавались вопросом, почему на столе Фарадея рядом друг с другом стоят бутылки с напитками и дамская сумочка. Ну, они сделаны, по сути, из одного и того же материала.

Процесс изготовления обоих изделий начинается с микробов, которые естественным образом производят материал, называемый наноцеллюлозой.

В случае Mogu Mogu — напитка на основе кокосовой воды, который вы можете найти в местном супермаркете, — наноцеллюлоза ответственна за комочки желе, которые вы видите в этой миске. 

Это полимер, получаемый путем ферментации — того же процесса, который используется при производстве пива.

Итак, одна компания, которую я посетил в прошлом году, называется Modern Synthesis, она находится в Южном Лондоне и основана Джен Кин и Беном Ривом. Они стремятся разрабатывать масштабируемые решения для удовлетворения потребностей индустрии моды в высокопроизводительных, универсальных материалах, которые не загрязняют планету.

Modern Synthesis производит наноцеллюлозные волокна, а затем комбинирует их с текстилем, таким как хлопок или лен, для создания новых композитов. Затем они покрываются натуральными покрытиями, такими как воски и масла, для улучшения эксплуатационных характеристик и улучшения внешнего вида и тактильных ощущений, что, конечно, имеет решающее значение для клиентов. Результатом стала эта сумочка!

А на слайде позади меня вы можете более подробно рассмотреть волокна, из которых состоит сумочка. Эти крошечные волокна наноцеллюлозы на самом деле очень, очень прочные — в 8 раз прочнее нержавеющей стали относительно веса!

Modern Synthesis — это всего лишь один пример новаторской британской компании, которая произвела фурор в этой области. Другой пример — Solena Materials, которая использует ИИ для разработки совершенно новых материалов с нуля, включая волокна, которые эффективно поглощают энергию. Это делает их актуальными для военных и полиции, которым нужна одежда, защищающая от взрывов, пуль и ударов ножом. Как бывший главный научный советник Министерства обороны, я рад видеть, что инженерная биология предлагает преимущества для обороны.

Разработка новых материалов, подобных этим, может значительно сократить выбросы парниковых газов по сравнению с традиционным производством материалов. Это включает минимизацию воздействия на окружающую среду выращивания скота для производства кожи или энергоемких процессов, используемых при создании синтетических тканей, таких как полиэстеры и нейлоны. Что еще лучше, эти материалы могут быть разработаны с учетом биоразлагаемости, что позволит избежать большой проблемы загрязнения пластиком.

Позвольте мне на секунду процитировать наш отчет: «Представьте себе мир, в котором каждая часть вашей одежды имеет минимальные затраты для окружающей среды, и на свалки не попадают отходы. Даже если часть одежды случайно выбрасывается в окружающую среду, она безопасно биоразлагается, не оставляя следов своего существования. Это будущее моды, и инженерная биология помогает сделать его реальностью».

Позвольте мне теперь перейти к другой распространенной проблеме: неэффективности производства продовольствия. Большинство из вас знает, что удобрения используются фермерами по всему миру для снабжения своих культур азотом. Без удобрений урожайность страдает.

Но есть 2 проблемы. Во-первых, процесс производства азотных удобрений очень энергоемкий. Он отвечает за 1–2% от всего мирового потребления энергии и генерирует соответствующие выбросы CO2. Во-вторых, использование удобрений оказывает значительное воздействие на окружающую среду, высвобождая дополнительные выбросы парниковых газов и нанося ущерб водным путям из-за стока удобрений с полей.

На этом слайде показан чрезмерный рост водорослей — обычное следствие сброса удобрений — в реке Уонтсум в графстве Кент.

В настоящее время фермеры по всему миру ежегодно используют более 200 миллионов тонн химических удобрений.

Теперь эта возможность производить азот в больших масштабах — с помощью процесса Габера-Боша — была, без сомнения, самым важным химическим прорывом 20-го века. Реакция, лежащая в основе этого промышленного процесса, показана позади меня — превращение азота и водорода в аммиак, который обычно используется в удобрениях. Ее открыл Фриц Хабер. Более половины населения мира зависит от продуктов, удобряемых с помощью промышленного производства азота. Но по причинам, которые я изложил, нам действительно нужно работать лучше.   

Так чем же может помочь инженерная биология?

Что если бы мы могли спроектировать зерновые культуры, которые бы поглощали собственный азот из окружающей среды, не полагаясь на удобрения? Мы называем это «фиксацией» азота.

На самом деле существуют примеры того, как это происходит в природе. В почве есть бактерии, называемые ризобиями, которые особенно хороши в фиксации азота; фактически, они преобразуют азотный газ из атмосферы в аммиак — именно ту форму азота, которая нужна растениям. Бобовые, такие как горох, клевер и люпин, привлекают эти бактерии ризобий жить в своих корнях — в небольших структурах, называемых клубеньками. В обмен на постоянный приток аммиака растение размещает и питает бактерии, формируя идеальные симбиотические отношения.

Позади меня находится иллюстрация растения с корневыми клубеньками… но в классическом стиле Blue Peter, вот парочка тех, что я вырастил ранее!

У этого растения клевера с моего газона есть клубеньки на корнях, но поскольку они немного крошечные, я также принесла фотографию этого же растения.

Для такого рода растений мы уже можем покрывать их семена ризобиями и добиваться повышения урожайности. И мы можем даже пойти на шаг дальше, добавляя бактерии непосредственно на поля в процессе, называемом инокуляцией почвы.

Однако проблема с зерновыми культурами, такими как пшеница, ячмень и кукуруза, заключается в том, что у них нет таких корневых клубеньков, и они не вырабатывают специальные сигнальные химические вещества, которые бобовые используют для привлечения бактерий.

Вот еще одно растение, которое я принес из своего сада. Это 1 — сахарная кукуруза, разновидность кукурузы и основная зерновая культура во всем мире. Вы можете видеть ее корни здесь, в верхней части слайда… никаких клубеньков! Эти виды культур не устанавливают такого рода симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями.

Поэтому исследователи, такие как Фил Пул из Оксфордского университета, пытаются создать новое поколение сельскохозяйственных культур, не требующих удобрений, опираясь на генетику растений, биохимию и экологию почвы.

Один из подходов, учитывая то, что я только что описал, заключается в создании злаковых культур, которые будут образовывать на своих корнях клубеньки, способные вмещать азотфиксирующие бактерии.

Великобритания лидирует в этом направлении – университеты Оксфорда и Кембриджа имеют крупные программы, поддерживаемые инвестициями наших исследовательских советов и Фонда Гейтса. Фактически, вовлеченные команды работают вместе в рамках более масштабного сотрудничества и недавно добились значительных успехов, спроектировав ячмень для формирования клубеньковых структур и спроектировав корни ячменя для высвобождения химического сигнала ризопин, который побуждает ризобии начать фиксировать азот.

Цикл «проектирование-создание-тестирование-обучение», который я описал ранее, является частью этого исследования. Весь достигнутый до сих пор прогресс был основан на раундах модификации, тестирования и перепроектирования организмов.

Еще предстоит преодолеть много препятствий, как с технической точки зрения, так и с социальной; генетическая модификация сельскохозяйственных культур — очень деликатный вопрос. Но ценность приза здесь велика, и я думаю, что ученые не должны стесняться ее описывать.

Представьте себе мир, в котором основной источник углеводов для человечества — зерновые культуры, такие как пшеница и ячмень — способны производить собственные азотные удобрения.

Мы могли бы решить проблему глобальной нехватки продовольствия на гораздо более устойчивой основе и в то же время решить одну из самых острых климатических проблем, оставив в прошлом промышленно производимый азот.

Теперь давайте подумаем о сельскохозяйственных культурах в более широком контексте, поскольку сбор урожая не обязательно должен быть концом их инженерно-биологического пути!

В начале этого выступления я назвал пару штаммов бактерий, связанных с переработкой металлов. Ну, биолог во мне не может не назвать вам еще один – на этот раз это тип бактерий под названием Halomonas.

Исследователи, такие как Найджел Скраттон из Манчестерского университета, конструируют эти бактерии, чтобы они действовали как эффективные фабрики по переработке пищевых отходов в топливо посредством ферментации. Когда я говорю «фабрики», я не имею в виду огромные промышленные площадки, которые мы обычно связываем с производством топлива.

На этой фотографии изображен нефтеперерабатывающий завод Фоли в Хэмпшире.

Напротив, эти бактерии, вырабатывающие топливо, можно размещать в контейнерах разных размеров, подобных тем, что показаны на этом слайде — некоторые из них не слишком отличаются от транспортных контейнеров.

Таким образом, прелесть этой технологии в том, что она изначально портативна и масштабируема для удовлетворения спроса – с преобразующими последствиями для отдаленных районов мира, где энергетическая инфраструктура может быть дефицитной. И, что особенно важно, это более чистые, не содержащие ископаемого топлива, которые можно использовать для питания домов, предприятий и даже самолетов.

Давайте на секунду сосредоточимся на последнем применении. В настоящее время авиационная промышленность почти полностью полагается на топливо на основе керосина, на долю которого приходится ошеломляющие 3% мировых выбросов CO2.

Сжигание ископаемого топлива общепризнанно является основной причиной глобального потепления, поэтому крайне важно найти способы перехода на устойчивые источники энергии.

Решения инженерной биологии, подобные решениям Найджела, могут сыграть важную роль в создании будущего без ископаемого топлива. Одним из преимуществ использования бактерий для превращения отходов в полезное топливо является то, что это может создать еще одну круговую экономику, в которой нам больше не нужно будет добывать и сжигать все больше и больше вредного ископаемого топлива; вместо этого мы перерабатываем углерод, который у нас уже есть.

Лично я считаю, что экологические преимущества — достаточная причина, чтобы радоваться этой технологии. Но одно из главных преимуществ бактериальных топливных фабрик — их портативность! Другими словами, они устраняют необходимость в крупномасштабной инфраструктуре биореакторов.

Представьте себе мир, в котором чистое топливо можно было бы производить локально и по требованию, в том числе во всех тех отдаленных и малонаселенных регионах, которые в настоящее время испытывают трудности с доступом к необходимому им топливу.

Всего минуту назад я утверждал, что хочу убедить людей в том, что инженерная биология — это нечто гораздо большее, чем вакцины и лекарства, и надеюсь, что мне удалось удивить хотя бы некоторых из вас широтой описанных мной примеров.

Но у меня есть один пример из медицины, который слишком интересен, чтобы его не упомянуть, — это исследования крови, выращенной в лабораторных условиях.

Зачем нам нужен такой продукт?

В настоящее время мир почти полностью полагается на донорство человеческой крови для лечения болезней и оказания экстренной медицинской помощи. Во многих странах, включая Великобританию, показатели донорства колеблются, и может возникнуть дефицит. Вдобавок ко всему, донорская кровь имеет ограниченный срок годности. Ее сложно хранить и сложно распределять. Если учесть тот факт, что в некоторых странах нет инфраструктуры для безопасной доставки продуктов крови, или подумать о конфликтах или гуманитарных чрезвычайных ситуациях, проблемы, связанные с донорской кровью, становятся еще яснее.

Есть еще несколько проблем. Может быть очень сложно получить некоторые редкие группы крови. И хотя службы крови, конечно, используют скрининг, чтобы избежать известных патогенов, всегда есть риск возникновения новых и передачи их пациентам, которым переливают кровь.

По всем этим причинам поиск новых способов получения крови стал бы еще одним переломным моментом, и инженерная биология снова может нам помочь.

Исследователи, такие как Эш Той из Бристольского университета, изучают возможность создания банка неограниченных запасов эритроцитов путем трансформации стволовых клеток или генетического перепрограммирования донорских клеток-предшественников крови.

На экране вы видите прекрасную иллюстрацию художницы Клаудии Стокер, наглядно демонстрирующую использование CRISPR — технологии «генетических ножниц», о которой я упоминала ранее, — для редактирования генетического материала клеток-предшественников, которые впоследствии станут эритроцитами.

Часть изображения, на которой нужно сосредоточиться, — это центр слайда, а именно спиральные катушки ДНК, исходящие из большого синего круга в середине — клетки, которая в конечном итоге даст начало красным кровяным клеткам вокруг внешней стороны слайда. Маленькие синие пончики представляют технологию CRISPR в действии, активно и точно редактируя ДНК, как мы ей и поручили.

Такое редактирование может позволить нам производить клетки-предшественники, которые могут расти и делиться неограниченное время в контролируемой среде, обеспечивая нам неограниченные запасы крови.

Команда из Бристоля, которая является пионером этого исследования, тесно сотрудничает со Службой крови и трансплантологии Национальной службы здравоохранения и другими партнерами в новаторском клиническом исследовании под названием RESTORE . RESTORE — это аббревиатура от REcovery and survival of STem cell Originated REd cells (восстановление и выживание клеток, полученных из стволовых клеток).

Это первый случай в мире, когда выращенные в лаборатории эритроциты были переданы другому человеку в рамках испытания переливания крови – вы могли видеть освещение этой программы в СМИ, которая привлекла интерес во всем мире. Испытание должно дать дальнейшие результаты к концу этого года или в начале следующего.

В будущем мы могли бы пойти еще дальше и использовать CRISPR для удаления генов, отвечающих за группы крови, и тем самым создать «универсальную» кровь, которая была бы бесценна для переливания крови людям с редкими группами крови.

Этот слайд — краткое напоминание о сложностях, связанных с обеспечением совместимости крови между донорами и реципиентами. Подходят только комбинации, выделенные фиолетовым цветом.

Перспективы здесь снова заманчивы. Представьте себе мир, где ни один пациент не умирает из-за отсутствия совместимой крови после несчастного случая или во время операции. Где безопасная кровь доступна по требованию, может храниться дольше и не несет рисков передачи заболеваний.

Итак, есть все эти удивительные возможности, о которых, как вы можете видеть, я люблю говорить!

Мы рассмотрели довольно много тем, касающихся инженерной биологии: не только в историческом, но и в географическом плане, в университетах и ​​компаниях, а также в различных областях применения.

Я так горжусь тем, что наша страна может претендовать на такую ​​изобретательность. Микробная переработка металлов из Эдинбурга. Биосинтетическое топливо из Манчестера. Выращенная в лаборатории кровь из Бристоля. Азотфиксирующие злаки из Оксфорда. И материалы на основе наноцеллюлозы прямо отсюда, из Лондона.

Я хотел бы закончить более общим вопросом, касающимся новых технологий, таких как инженерная биология и другие.

Ранее вы слышали, как я говорил о рисках и проблемах, включая необходимость ответственных инноваций.

Однако еще одна проблема заключается в том, как мы, как общество, говорим о науке и технологиях в целом.

Очевидно, что одной из моих целей сегодня вечером было повышение осведомленности об инженерной биологии.

Но мне кажется, что мы живем в период, когда вовлечение общественности в науку становится все сложнее.

И дело не только в беспрецедентном объеме дезинформации, циркулирующей вокруг нас.

Теперь мы живем в менее патерналистском обществе – что, безусловно, хорошо – ученым уже недостаточно говорить людям, что для них хорошо, и ожидать, что они будут следовать линии. Вместо этого мы знаем, что нам нужно вести надлежащие, хорошо информированные дебаты по этим вопросам.

Очевидно, что обещание инженерной биологии может быть скомпрометировано общественным противодействием. Нам нужно прислушиваться к общественным опасениям — действительно прислушиваться! — и понимать, что если мы не отреагируем на эти опасения, люди будут иметь полное право не поддерживать или активно блокировать достижения инженерной биологии, которые мы пытаемся создать.

Здесь предстоит много работы. Я не думаю, что мы когда-нибудь перестанем слушать публику.

По сути, технологии, которые мы разрабатываем в области инженерной биологии, должны предлагать решения проблем, которые действительно волнуют людей.

Здоровье, питание, климат, окружающая среда, устойчивость, глобальное равенство. Я знаю, что это проблемы, которые волнуют миллиарды людей.

Надеюсь, мне удалось убедить вас, что инженерная биология может предложить решения этих проблем.

Спасибо за внимание, обязательно прочтите наш отчет, вот он, и спасибо Королевскому институту за то, что пригласили меня выступить с докладами в этот год празднования 200-летия.