【編者按】
21世紀(jì)以來,多學(xué)科的交叉融合正帶來一場變革,這不只是在技術(shù)領(lǐng)域,也涉及我們與物質(zhì)世界在生理、文化和哲學(xué)層面的聯(lián)系?!都{米與生命:納米技術(shù)如何重塑醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的未來》一書為我們展示了物理學(xué)、生物學(xué)和納米科學(xué)技術(shù)交叉融合的科學(xué)領(lǐng)域——以生命為核心的新科學(xué)。本文為該書第5章《總之,生命改變一切》。
我們當(dāng)今這個(gè)時(shí)代的經(jīng)驗(yàn),以技術(shù)的加速部署為標(biāo)志,正在以各種形式、各種尺度重塑著地球上的生命。在這個(gè)動(dòng)態(tài)又矛盾的場景中,充滿了希望與威脅,生命本身也已成為科學(xué)研究的主要對象。過去4 個(gè)世紀(jì)中所有科學(xué)積累的知識,最終達(dá)到了探究、理解、修正并利用我們自身生物復(fù)雜性的層級。
在所有復(fù)雜性層面上研究并模擬生命的那些技術(shù)與理論工具的出現(xiàn),正在為生物學(xué)研究和醫(yī)學(xué)實(shí)踐創(chuàng)建不同凡響的新前景。盡管上一代還原論者的觀點(diǎn),也就是將生物簡化為分子與基因,仍然在很多生物醫(yī)藥研究以及一些傳媒與大眾文化中流行,但是一股即將帶來根本變化的浪潮正在悄然崛起。新的定量生物學(xué)被理智的物理學(xué)框架改變,由納米技術(shù)(在納米尺度對物質(zhì)進(jìn)行研究并加工的技術(shù))推動(dòng),試著將納米尺度的基因與分子整合到全宇宙的組織原理中。這種生命的新物理學(xué)試著去發(fā)現(xiàn)那些讓復(fù)雜生物行為跨越尺度涌現(xiàn)的底層規(guī)則,從納米(原子與分子)到微米(細(xì)胞及其亞結(jié)構(gòu))再到宏觀(組織、器官以及整個(gè)多細(xì)胞生物體)。正如我在第1章里總結(jié)的那樣,這種詮釋生命的方法將生物學(xué)放在了數(shù)學(xué)、物理學(xué)與工程科學(xué)的交界面上,而且將會(huì)從根本上改變我們發(fā)現(xiàn)、解釋并治療疾病的方法。更深刻的是,它改變了“科學(xué)文化”,使生命和人類存續(xù)(以及歷史)重新回歸到宇宙本身的連續(xù)體中。它不僅為我們更深入理解生物與物質(zhì)開辟了道路,還邀請我們修正自己關(guān)于自然的立場,從而改變?nèi)祟愇幕返妮S線。
第2章展現(xiàn)了定量生物學(xué)是如何與全新的材料科學(xué)攜手出現(xiàn)的,這些材料科學(xué)利用全新理解的生物學(xué)力量,以原子精度和前所未有的功能塑造物質(zhì),用蛋白質(zhì)和DNA制造微小的結(jié)構(gòu)和機(jī)械。通過“像生物那樣制造物質(zhì)”進(jìn)行學(xué)習(xí),科學(xué)家揭示了生物結(jié)構(gòu)背后的物理原理,以及生命本身在納米尺度的涌現(xiàn)。這使得我們有可能創(chuàng)造出一個(gè)“固有材料富足”的未來,生物學(xué)和材料科學(xué)就此融合在一起,滿足我們技術(shù)與醫(yī)學(xué)上的需求和夢想。新的生物納米技術(shù)得益于物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、公民科學(xué)家群體、合成生物學(xué)與數(shù)學(xué)建模的融合。在醫(yī)學(xué)的影響下,它們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了令人震驚的突破,例如設(shè)計(jì)出具有進(jìn)化潛力并能夠徹底改變疫苗的類病毒結(jié)構(gòu),或者是能夠組裝出其他方法難以合成的化學(xué)物質(zhì)的DNA機(jī)器人。
根據(jù)第1章和第2章中的觀點(diǎn),21世紀(jì)的第一波納米醫(yī)學(xué)研究(在第3章中已經(jīng)總結(jié))通過將藥物裝載到納米顆粒中,努力提高藥物的輸送能力,并通過反復(fù)試錯(cuò)的辦法瞄準(zhǔn)腫瘤,這看起來已經(jīng)過時(shí)了。通過模仿藥劑學(xué)研究的策略,納米醫(yī)學(xué)在很大程度上再現(xiàn)了藥劑學(xué)的失敗。這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)再次說明,在設(shè)計(jì)新的治療方法時(shí),生物的多尺度復(fù)雜性是不能被回避的。盡管生物物理學(xué)的知識與技術(shù)都處在早期階段,這讓它目前還不可能設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確無誤的藥劑或治療方法,但我們再也不能忽視生物學(xué)中分子原教旨主義觀點(diǎn)的局限性。
發(fā)現(xiàn)藥物是一項(xiàng)宏偉的全球性事業(yè),也相應(yīng)地受到了慣性的阻礙。短期內(nèi),聚焦于分子的這種近乎排外的還原論還不太可能發(fā)生變化。除了經(jīng)濟(jì)和組織架構(gòu)的限制,現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)家所受的教育,也不允許他們輕松地轉(zhuǎn)向需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)與物理學(xué)基礎(chǔ)才能構(gòu)建的疾病新模型。這意味著事情將會(huì)進(jìn)展得很緩慢,至少在那些醫(yī)藥巨頭和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)演化到養(yǎng)活這些科學(xué)家的國家,問題是根深蒂固的。目前,生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)以及醫(yī)藥實(shí)驗(yàn)室里日常開展的任務(wù)正在逐步自動(dòng)化,看起來這有可能會(huì)促成變化的加速。
與此同時(shí),生物學(xué)中的還原論觀點(diǎn)還在繼續(xù)蔓延。大量的研究致力于獲取基因表達(dá)與細(xì)胞中蛋白質(zhì)及化學(xué)成分的細(xì)節(jié)信息,利用高通量技術(shù)將生物學(xué)帶入“大數(shù)據(jù)”時(shí)代。一些所謂的組學(xué)——基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)與蛋白組學(xué),被用于收集以拍字節(jié)(1拍字節(jié)相當(dāng)于100萬吉字節(jié),即250字節(jié))計(jì)的數(shù)據(jù),從而構(gòu)建出模型并驗(yàn)證,通常沒有考慮細(xì)胞的物理實(shí)體。這一方法通過將出現(xiàn)在其中的基因及表觀遺傳標(biāo)記與表達(dá)出的蛋白質(zhì)關(guān)聯(lián)起來,試圖給生命算法輸出的結(jié)果進(jìn)行編碼,但是似乎并不關(guān)心這一算法真實(shí)的物理學(xué)機(jī)制,并且在很大程度上忽視了涌現(xiàn)的原則:生命的“整體大于部分之和”。這不僅對我們理解生命帶來影響,同樣也會(huì)對藥物及藥物靶點(diǎn)研究的成功造成影響。盡管這些大數(shù)據(jù)方法,也許已經(jīng)證實(shí)了一種有用但成本高昂的方法可以識別出某些分子靶點(diǎn),未來的藥物設(shè)計(jì)卻需要考慮細(xì)胞和組織環(huán)境中蛋白質(zhì)功能完整的物理圖景。否則,藥物將很難找到它們的目標(biāo),或者細(xì)胞會(huì)讓它們失活。引進(jìn)更多定量生物學(xué)的方法,也可以縮小范圍,減少構(gòu)建算法搜尋“組學(xué)”輸出結(jié)果之間關(guān)聯(lián)性所需的努力——不管新型計(jì)算機(jī)的硬件與人工智能有多強(qiáng)大,這些輸出結(jié)果的數(shù)據(jù)量都大到驚人,以至于實(shí)際上并沒有多少用。
如果以真實(shí)的機(jī)械論假設(shè)為導(dǎo)向,那么機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能可能是最有用的。打個(gè)簡單的比方,目前的大數(shù)據(jù)“組學(xué)”策略就好比是花上很長一段時(shí)間,把宇宙中每一顆星星的位置都繪制出來,然后借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法,搞清楚所有星星運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系……同時(shí)忽略引力的存在。
希望生物醫(yī)學(xué)研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑺麄兊木χ匦虏渴鹪诟玫牟呗耘c協(xié)作中,這或許能讓他們得出天文學(xué)家和粒子物理學(xué)家很早以前就已經(jīng)獲知的結(jié)論:要想解決最為困難的科學(xué)問題,在大型國際研究項(xiàng)目中進(jìn)行合作是最好的辦法。
在目前的藥物設(shè)計(jì)與輸送領(lǐng)域,毫無疑問,最有希望的抗癌策略是免疫療法。免疫療法擺脫了基因與分子的教條,也擺脫了根據(jù)局部計(jì)算整體的蠻力方法,而是利用生物本身對抗疾病,從而整合了所有必要的尺度。它的成功,不只是孕育出更好的治療方法,還會(huì)催生出更多生物醫(yī)藥發(fā)展中所必需的多尺度定量研究類型。在第3章中展示的最新研究表明,納米技術(shù)可以有助于克服免疫療法現(xiàn)有的局限,并提升免疫系統(tǒng)在抗癌響應(yīng)方面的穩(wěn)定性。正如我們所見,將納米顆粒瞄準(zhǔn)免疫系統(tǒng)的樹突細(xì)胞,要比將它們瞄準(zhǔn)癌細(xì)胞容易得多。納米顆粒也可以在腫瘤的局部環(huán)境中,被用于制造一種免疫應(yīng)答,同時(shí)降低全身毒性:通過延長顆粒在腫瘤位點(diǎn)的滯留時(shí)間,它們可以釋放出極強(qiáng)的免疫刺激分子,并仍然可以促進(jìn)整個(gè)機(jī)體的可控響應(yīng)。有一個(gè)特別有趣的方法是利用植入體招募并刺激免疫細(xì)胞攻擊腫瘤細(xì)胞,就如同緩釋的癌癥疫苗那樣有效地工作。
然而,僅僅是更有效、更有靶向精準(zhǔn)性的藥物,仍然不足以帶來我們在醫(yī)學(xué)研究中努力追求的那種變革。我們需要能夠理解并預(yù)測藥物在個(gè)體中的效應(yīng)。沒有這樣的理解,那些能夠?qū)Υ蟛糠只颊哂行У乃幬锿膊粫?huì)被批準(zhǔn),因?yàn)楸热缢鼈儠?huì)在一小部分人體內(nèi)產(chǎn)生令人難以忍受的副作用,但這一小部分仍然不是一個(gè)小數(shù)字。顯然,僅僅分析基因和蛋白質(zhì)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),并不足以設(shè)計(jì)出那種對每一位患者都有效的癌癥治療方案。
為了向個(gè)性化醫(yī)學(xué)發(fā)展,我們還必須尋求突破,不只是在實(shí)驗(yàn)室里從孤立的細(xì)胞中收集數(shù)據(jù),而是要實(shí)時(shí)地直接從活體內(nèi)的分子與細(xì)胞中獲取物理與生化信息。全世界的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出可植入的生物傳感設(shè)備,其中有很多是納米顆?;蚣{米結(jié)構(gòu),它們能夠探測細(xì)菌、病毒或與它們相互作用的分子(例如抗體、外源性蛋白質(zhì)、DNA片段或葡萄糖),甚至與外界交流它們的狀態(tài)。(最初的應(yīng)用是針對糖尿病,例如監(jiān)測葡萄糖水平的隱形眼鏡,或者能夠同時(shí)探測葡萄糖濃度并受控釋放出胰島素與之反應(yīng)的可植入材料,都已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里得到測試。)目前正在被研究的還有幾種探測策略,從石墨烯或碳納米管的電學(xué)性能,到能夠和目標(biāo)分子結(jié)合后改變顏色的納米材料。很多這樣的系統(tǒng)都利用抗體導(dǎo)向追蹤到特定的分子,但是就我們在過去15年中研究的結(jié)果來看,用抗體抵近特定的分子,還要同時(shí)能夠探測到與目標(biāo)的結(jié)合,并不是一件容易實(shí)現(xiàn)的事。由于分子的尺寸以及生物環(huán)境的復(fù)雜性,從生物器官中獲取有意義的數(shù)據(jù),仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。
在藥物輸送與生物傳感兩個(gè)方面,當(dāng)前策略的成敗正促使科學(xué)家深入研究分子在納米層面相互作用的基本機(jī)制,以及細(xì)胞和組織層面上納米機(jī)制的整合。
這就要說到大數(shù)據(jù)和算法的應(yīng)用了。為了構(gòu)建新的模型,將生物學(xué)多層次、多尺度的物理特性納入其中,生物傳感設(shè)備就需要從大量病患和健康人群(包括男性和女性;目前大多數(shù)醫(yī)學(xué)研究都是在男性志愿者或是雄性大鼠身上進(jìn)行的,這令人有些意外,或許也不意外)的樣本中收集相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了分析這些未來生物傳感平臺的大數(shù)據(jù),有必要開發(fā)深度學(xué)習(xí)的算法并與之結(jié)合。目標(biāo)是開發(fā)多尺度機(jī)制的模型,通過納米尺度的物理學(xué),以及在不同尺度之間形成聯(lián)系的相互作用,對生物功能進(jìn)行闡述。反過來,這些模型還會(huì)回溯到算法中,對算法進(jìn)行細(xì)化,同時(shí)也被算法細(xì)化。
第4章的主題組織工程學(xué)是一個(gè)正在崛起的領(lǐng)域,它不只讓器官的修復(fù)成為可能——甚至是器官的再生與替換,同時(shí)也是一個(gè)競技場,以生物學(xué)和醫(yī)學(xué)為代表的基礎(chǔ)科學(xué)正在這里取得十分重大的進(jìn)步。在一個(gè)大型活體生物中研究(或者更實(shí)際一些說,只不過是識別)所有相關(guān)的定量數(shù)值,仍然是一個(gè)不可能完成的任務(wù),但是組織工程學(xué)可以構(gòu)建出人工生物組織,在其中所有跨越不同尺度的相互作用(化學(xué)、物理、電子、機(jī)械以及基因各方面的)都可以在受控的環(huán)境下被研究,并且開始為模型的建立提供信息。與此同時(shí),用于持續(xù)監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)以及構(gòu)建“芯片上的器官”的實(shí)驗(yàn)級生物傳感器,將開始生成活體組織的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),使技術(shù)發(fā)展到以后在生物體內(nèi)應(yīng)用成為可能。創(chuàng)建生物傳感器技術(shù),使對生命進(jìn)程的監(jiān)測達(dá)到分子精度,并且創(chuàng)建組織的機(jī)械模型,將這些分子級的進(jìn)程與宏觀相聯(lián)系,這有可能會(huì)在不久的未來成為組織工程學(xué)對醫(yī)學(xué)和生物學(xué)最重要的貢獻(xiàn)。組織工程學(xué)模型對于理解并構(gòu)建靶向藥物輸送模型而言,也是非常有用的,而且可以預(yù)測,這樣的人體組織與器官模型最終將在藥物測試中替代動(dòng)物。
隨著技術(shù)進(jìn)步,越來越智能化的活體組織自動(dòng)培養(yǎng)將會(huì)替代分子生物實(shí)驗(yàn)室和生化實(shí)驗(yàn)室里大部分工作,而這些工作如今還依賴無聊的重復(fù)實(shí)驗(yàn),博士生、研究員以及博士后們正無休止而忘我地把時(shí)間花在上面。新型機(jī)器人技術(shù)會(huì)生成生物大數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以被物理驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析與分類,從而幫助科學(xué)家構(gòu)建出更復(fù)雜的生物模型。隨著人工智能變得能夠關(guān)聯(lián)因果,它也將逐步被應(yīng)用,以分子級的分辨率和多層次的認(rèn)知對生物進(jìn)行監(jiān)測。以細(xì)胞培養(yǎng)與組織工程為基礎(chǔ)的設(shè)備與模型終將在動(dòng)物研究中發(fā)揮作用,再后面是進(jìn)入人類醫(yī)學(xué),最終成為一種能夠監(jiān)控并修復(fù)我們身體的技術(shù)——也許還能以實(shí)時(shí)、個(gè)性化的方式實(shí)現(xiàn)。這一技術(shù)也許會(huì)基于復(fù)合的跨領(lǐng)域材料設(shè)備實(shí)現(xiàn),其中同時(shí)應(yīng)用了有機(jī)與無機(jī)的材料及原理,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的超增強(qiáng)免疫系統(tǒng)。
我們距此還很遙遠(yuǎn)。但是,隨著第四次工業(yè)革命發(fā)展,始于醫(yī)學(xué)背景下納米技術(shù)和生物界面上的研究,還將繼續(xù)與其他科學(xué)和技術(shù)融合。它將納入更多的數(shù)學(xué)模型、人工智能和機(jī)器人技術(shù),并且會(huì)在納米層面上創(chuàng)建出一個(gè)越來越精細(xì)的知識體系,囊括生物學(xué)與材料科學(xué)。納米尺度的設(shè)備將會(huì)被用于研究生物學(xué);生物學(xué)則會(huì)被用于啟發(fā)并改良跨領(lǐng)域材料設(shè)備,以模擬生物的一些特性,并整合一些在生物界不可能獲得的特征。上述兩個(gè)領(lǐng)域所應(yīng)用的物理學(xué),最終會(huì)帶來一種嶄新的材料科學(xué),將生物和無機(jī)材料整合在一起,正如你在第4章中見到凱文·基特·帕克的先鋒軟質(zhì)機(jī)器人所預(yù)言的那樣。
除了醫(yī)學(xué)以外,物理學(xué)融入我們對生物學(xué)的理解中,還對我們的身份和與自然之間的關(guān)系產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。物理將我們從基因的一維還原論分子桎梏中解脫出來,讓我們能夠放飛自我, 就像是從宇宙深邃且多尺度的構(gòu)造中涌現(xiàn)出來一樣。最終,生物學(xué)在機(jī)械力、能量、空間與時(shí)間的相互作用中得以實(shí)現(xiàn),給了我們這個(gè)世界,也賦予我們感覺、智力與意識,還有我們利用技術(shù)學(xué)會(huì)如何治愈、再生并重塑我們自己、我們的文化與環(huán)境的巨大力量。生命的新物理學(xué)讓我們能夠更深入地探索人類直覺的物理基礎(chǔ),去進(jìn)行科研,去挖掘無生命與有生命物質(zhì)的基礎(chǔ);它暗示了連接創(chuàng)造力、直覺和知識(換句話說,就是藝術(shù)、人文與科學(xué))的底層基礎(chǔ)。
生物學(xué)在物理學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域受期盼的出現(xiàn),將我們的觀點(diǎn)重新定位并產(chǎn)生了新的融合??茖W(xué)研究中產(chǎn)生的這些問題,越來越多地和哲學(xué)、藝術(shù)以及人文學(xué)科對人類存在本質(zhì)的追問相呼應(yīng):生命和智能是什么,它們是從哪里產(chǎn)生的?隨著我們獲得對物質(zhì)和生物越來越多的控制權(quán),我們在這個(gè)世界上處于何種位置?一開始,這些問題是在純科學(xué)的背景下被確切表達(dá)的。但是,當(dāng)我們重新提出這些問題時(shí),我們需要和自打一萬多年前早期文明誕生時(shí)就已經(jīng)提前占據(jù)人類文化的信念、直覺和質(zhì)詢重新進(jìn)行連接并進(jìn)行檢驗(yàn)?,F(xiàn)代科學(xué)與文化史的連接,把我們帶到此刻正站立的岔路口:一條道路通往前所未有的人類進(jìn)步圖景,另一條道路通往源于我們本性的盲目開拓。
在過去的4個(gè)世紀(jì)中,科學(xué)給我們帶來很多技術(shù),以至于我們曾沉迷于完全操控自然的幻想。如今的社會(huì)很大程度上將自然視為一種商品,處于引導(dǎo)技術(shù)以提取其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的各個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)中。我在本書中總結(jié)的科學(xué)發(fā)展,將人類的生物學(xué)與生命本身嵌入這種自然商品化的基質(zhì)中。我們的身體和意識,是經(jīng)濟(jì)開發(fā)的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。
如果我們想成為一個(gè)成熟的科技物種,并且作為人類真正地活著,我們就需要面對在我們尚未成熟之時(shí)對技術(shù)的應(yīng)用,并使之成長為新的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),讓我們更深刻地理解自己生存的意義。在歷史的這個(gè)時(shí)刻,除了在物理、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義上成熟地變?yōu)椤罢w的一部分”,我們別無選擇,而且要推進(jìn)我們與自然之間新型關(guān)系的建設(shè),從而讓我們得以生存。在結(jié)語中,我會(huì)論證科學(xué)與文化的重新連接正在我們的實(shí)驗(yàn)室中發(fā)生,并指向正確的方向。
《納米與生命:納米技術(shù)如何重塑醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的未來》,[西]索尼婭·孔特拉(Sonia Contera)著,孫亞飛譯,鸚鵡螺|中信出版集團(tuán)2021年10月。