Знаете ли, говорих за някои от тези проекти преди, за човешкия геном, и за това какво може да означава, за откриването на нов набор от гени. Всъщност започваме от ново място: дигитализирахме биологията и сега се опитваме да преминем от този дигитален код към нов етап на биологията, с проектирането и синтезиране на живот.
You know, I've talked about some of these projects before -- about the human genome and what that might mean, and discovering new sets of genes. We're actually starting at a new point: we've been digitizing biology, and now we're trying to go from that digital code into a new phase of biology with designing and synthesizing life.
И така, винаги се опитваме да зададем големи въпроси: "Какво е животът?" е нещо, което мисля, че много биолози се опитват да разберат, на различни нива. Опитахме различни подходи, за да го намалим до минималните му компоненти. Дигитализираме го повече от 20 години. Когато разкодирахме човешкия геном, преминахме от аналоговия свят на биологията до дигиталния свят на компютрите. Сега се опитваме да разберем, дали може да рагенерираме живот, или да създадем нов живот от този дигитален свят?
So, we've always been trying to ask big questions. "What is life?" is something that I think many biologists have been trying to understand at various levels. We've tried various approaches, paring it down to minimal components. We've been digitizing it now for almost 20 years; when we sequenced the human genome, it was going from the analog world of biology into the digital world of the computer. Now we're trying to ask, "Can we regenerate life or can we create new life out of this digital universe?"
Това е картата на малък организъм, Mycoplasma genitalium (Микоплазма гениталиум), която има най-малкият геном за вид, който може да се самовъзпроизвежда в лаборатория. Опитваме се да открием, дали може да измислим дори още по-малък геном. Може да елиминираме в порядъка на около 100 гена, от всичките около 500, които се намират тук. Но когато погледнем в метаболичната му карта, тя е доста по-проста, в сравнение с нашата. Вярвайте ми, това е нещо просто. Но когато погледнем всички гени, които може да елиминираме един по един, то това е малко вероятно да даде жива клетка. И така, решихме, че единствения път напред е, ако всъщност синтезираме този хромозом, така че бихме могли да варираме компонентите му, за да запитаме един от тези най-основни въпроси. И така започнахме с: "Може ли да синтезираме хромозом?" Може ли химията да ни позволи да направим тези наистина големи молекули, нещо, което не сме правили никога преди? И ако може да го направим, можем ли да активираме хромозома? Хромозомът, между другото, е просто частица инертен химически материал. И така, темпа на дигитализиране на живота се увеличава експоненциално.
This is the map of a small organism, Mycoplasma genitalium, that has the smallest genome for a species that can self-replicate in the laboratory, and we've been trying to just see if we can come up with an even smaller genome. We're able to knock out on the order of 100 genes out of the 500 or so that are here. When we look at its metabolic map, it's relatively simple compared to ours -- trust me, this is simple -- but when we look at all the genes that we can knock out one at a time, it's very unlikely that this would yield a living cell. So we decided the only way forward was to actually synthesize this chromosome so we could vary the components to ask some of these most fundamental questions. And so we started down the road of: can we synthesize a chromosome? Can chemistry permit making these really large molecules where we've never been before? And if we do, can we boot up a chromosome? A chromosome, by the way, is just a piece of inert chemical material. So, our pace of digitizing life has been increasing at an exponential pace.
Способостта ни да записваме генетичен код прогресираше твърде бавно, но започна да се увеличава. Последната ни точка, би го поставила на експоненциална крива. Започнахме това преди 15 години. Отне няколко етапа, на практика, започнахме с биоетичен преглед, преди да започнем с първите опити. Но се оказа, че синтезирането на ДНК е доста трудно. Има десетки хиляди машини по света, които правят малки частици от ДНК, 30 или 50 думи дълги, и това е дегенериран процес, така че колкото по-дълга е частта, толкова повече грешки се правят. Така че, трябваше да създадем нов метод, за да сглобим тези малки частици и да поправим всички грешки.
Our ability to write the genetic code has been moving pretty slowly but has been increasing, and our latest point would put it on, now, an exponential curve. We started this over 15 years ago. It took several stages, in fact, starting with a bioethical review before we did the first experiments. But it turns out synthesizing DNA is very difficult. There are tens of thousands of machines around the world that make small pieces of DNA -- 30 to 50 letters in length -- and it's a degenerate process, so the longer you make the piece, the more errors there are. So we had to create a new method for putting these little pieces together and correct all the errors.
И това беше първият ни опит, започвайки с дигиталната информация на генома на Phi X 174. Това е малък вирус, който убива бактерии. Проектирахме частите, преминахме през коригирането на грешки, и получихме ДНК молекула с около 5000 гена. Вълнуващата фаза дойде, когато вземахме тази част от инертен химически материал и я поставихме в бактерията, и бактерията започна да чете този генетичен код, и направи вирусните частици. Вирусните частици после бяха отделени от клетките, после се върнаха и убиха E. coli (Ешерихия коли). Говорих наскоро с хора от петролната индустрия и мисля, че те разбраха този модел доста добре.
And this was our first attempt, starting with the digital information of the genome of phi X174. It's a small virus that kills bacteria. We designed the pieces, went through our error correction and had a DNA molecule of about 5,000 letters. The exciting phase came when we took this piece of inert chemical and put it in the bacteria, and the bacteria started to read this genetic code, made the viral particles. The viral particles then were released from the cells and came back and killed the E. coli. I was talking to the oil industry recently and I said they clearly understood that model.
(Смях)
(Laughter)
Те се смяха повече от вас.
They laughed more than you guys are. (Laughter)
И така, ние мислим, че това е ситуация, при която софтуера всъщност може да построи хардуера си, в дадена биологична система. Но ние искахме да отидем по-надалеч. Искахме да изградим цялата бактериална хромозома. Това са повече от 580 000 думи от генетичен код. Така мислихме да ги направим в касети с големината на вируси, така че да можем да променяма касетите, за да разберем, какви са действителните компоненти на жива клетка. Дизайнът е от решаващо значение, и ако се започва с дигитална информация от компютър, то тази дигитална информация трябва да бъде наистина точна. Когато секвентирахме за първи път този геном през 1995 г., стандартът за точност беше една грешка на 10 000 базови двойки. В действителност окрихме, след като я секвентирахме отново, 30 грешки. Ако бяхме използвали тази първоначална последователност, тя нямаше никога да се активира. Част от проектирането е изработването на частици, които са с дължина от 50 букви, които трябва се припокриват с всички останали частици с дължина от 50 букви, за да построим по-малки подединици, които да проектираме, за да си пасват. Ние създадохме уникални елементи в това.
And so, we think this is a situation where the software can actually build its own hardware in a biological system. But we wanted to go much larger: we wanted to build the entire bacterial chromosome -- it's over 580,000 letters of genetic code -- so we thought we'd build them in cassettes the size of the viruses so we could actually vary the cassettes to understand what the actual components of a living cell are. Design is critical, and if you're starting with digital information in the computer, that digital information has to be really accurate. When we first sequenced this genome in 1995, the standard of accuracy was one error per 10,000 base pairs. We actually found, on resequencing it, 30 errors; had we used that original sequence, it never would have been able to be booted up. Part of the design is designing pieces that are 50 letters long that have to overlap with all the other 50-letter pieces to build smaller subunits we have to design so they can go together. We design unique elements into this.
Може да сте чели, че поставихме отличителни знаци вътре. Помислете над това: ние имаме четирибуквен генетичен код: А, Ц, Г и Т. Тройки от тази буква -- от тези букви, кодират приблизително около 20 аминокиселини -- само една буква обозначава всяка от аминокиселините. И така, може да използваме генетичния код за да пишем думи, изречения, мисли. Първоначално, това което направихме беше автограф. Някои хора бяха разочаровани, че нямаше поезия. Ние създадохме тези частици така, че да ги манилулираме с ензими. Има ензим, който може да ги поправи и да ги сглоби. И така започнахме да правим частици, започнахме с частици, които бяха от 5 до 7000 букви, нагодихме ги за да получим частици от 24 000 букви, после ги обединихме в групи, с големина до 72 000.
You may have read that we put watermarks in. Think of this: we have a four-letter genetic code -- A, C, G and T. Triplets of those letters code for roughly 20 amino acids, such that there's a single letter designation for each of the amino acids. So we can use the genetic code to write out words, sentences, thoughts. Initially, all we did was autograph it. Some people were disappointed there was not poetry. We designed these pieces so we can just chew back with enzymes; there are enzymes that repair them and put them together. And we started making pieces, starting with pieces that were 5,000 to 7,000 letters, put those together to make 24,000-letter pieces, then put sets of those going up to 72,000.
Във всеки етап, ние произвеждахме тези частици в изобилие, за да може да ги секвентираме, понеже се опитвахме да създадем процес, който беше изключително стабилен, което може да видите след минута. Опитваме се да достигнем до ръба на автоматизацията. Това прилича на баскетболен плейоф. Когато се захванем с тези наистина големи частици -- над 100 000 базови двойки -- те повече не растат лесно в Е. коли. Това изчерпва всички съвременни инструменти на молекулярната биология. И така се обърнахме към други механизми. Знаехме, че съществува механизъм наречен хомологична рекомбинация, който биологията използва за да поправя ДНК, който може да сглоби отделни частици. Ето и пример за това. Това е организъм наречен Deinococcus radiodurans (Деинококус радиодуранс), който може да погълне до три милиона рада от радиация.
At each stage, we grew up these pieces in abundance so we could sequence them because we're trying to create a process that's extremely robust that you can see in a minute. We're trying to get to the point of automation. So, this looks like a basketball playoff. When we get into these really large pieces over 100,000 base pairs, they won't any longer grow readily in E. coli -- it exhausts all the modern tools of molecular biology -- and so we turned to other mechanisms. We knew there's a mechanism called homologous recombination that biology uses to repair DNA that can put pieces together. Here's an example of it: there's an organism called Deinococcus radiodurans that can take three millions rads of radiation.
Може да видите в горната част, негов хромозом се е разпаднал на части. След 12 до 24 часа, го сглобява обратно както е бил преди. Има хиляди организми, които могат да направят това. Тези организми могат да бъдат напълно обезводнени. Могат да живеят във вакуум. Напълно съм сигурен, че живот може да съществува в открития космос, да се предвижва наоколо, и да открива нови водни среди. В действителност НАСА показа, че много от това е там.
You can see in the top panel, its chromosome just gets blown apart. Twelve to 24 hours later, it put it back together exactly as it was before. We have thousands of organisms that can do this. These organisms can be totally desiccated; they can live in a vacuum. I am absolutely certain that life can exist in outer space, move around, find a new aqueous environment. In fact, NASA has shown a lot of this is out there.
Ето и действителна микроснимка на молекулата, която изградихме, използвайки тези процеси -- всъщност само използвайки дрождови механизми, с правилен дизайн на парчетата, в които ги поставихме. Дрождите ги комбинират автоматично. Това не е електронна микроснимка, тове е нормална микроснимка. Просто молекулата е много голяма, че може да я видим със светлинен микроскоп. Това са снимки от приблизително шест-секундов период.
Here's an actual micrograph of the molecule we built using these processes, actually just using yeast mechanisms with the right design of the pieces we put them in; yeast puts them together automatically. This is not an electron micrograph; this is just a regular photomicrograph. It's such a large molecule we can see it with a light microscope. These are pictures over about a six-second period.
Това е публикацията, която направихме наскоро. Това са над 580 000 думи от генетичен код. Това е най-голямата молекула, създадена някога от човек, на определена структура. Тежи малко повече от 300 милиона молекулярни маси. Ако я отпечатаме с 10 точков шрифт без празни места, ще отнеме 142 страници, само за отпечатването на този генетичен код. Как да задвижим хромозомът? Как да го активираме? Очевидно, с вирусите е доста просто. Много по-сложно е, когато се занимаваме с бактерии. Също така е по-просто, ако се занимавате с еукариоти, като нас самите, може просто да извадите ядрото и да поставите друго, и това се случва при клонирането, за което всички сте чували. При бактерията archaea (археа), хромозомът е вграден в клетката, но ние показахме наскоро, че може да направим пълна трансплантация на хромозом от една на друга клетка, и да го активираме. Ние прочистихме хромозом от един микробен вид. Грубо казано, тези два вида се различават както човек и мишка. Добавихме няколко допълнителни гени, за да може да селектираме този хромозом. Усвоихме го с ензими, за да убием всички протеини. Беше доста зашеметяващо, когато поставихме това в клетката -- ще оцените нашите много сложните графики тук -- новия хромозом влезе в клетката. В действителност, си мислихме, че можеше да стигнем само до там, но се опитахме да проектираме процеса и малко по-нататък.
So, this is the publication we had just a short while ago. This is over 580,000 letters of genetic code; it's the largest molecule ever made by humans of a defined structure. It's over 300 million molecular weight. If we printed it out at a 10 font with no spacing, it takes 142 pages just to print this genetic code. Well, how do we boot up a chromosome? How do we activate this? Obviously, with a virus it's pretty simple; it's much more complicated dealing with bacteria. It's also simpler when you go into eukaryotes like ourselves: you can just pop out the nucleus and pop in another one, and that's what you've all heard about with cloning. With bacteria and Archaea, the chromosome is integrated into the cell, but we recently showed that we can do a complete transplant of a chromosome from one cell to another and activate it. We purified a chromosome from one microbial species -- roughly, these two are as distant as human and mice -- we added a few extra genes so we could select for this chromosome, we digested it with enzymes to kill all the proteins, and it was pretty stunning when we put this in the cell -- and you'll appreciate our very sophisticated graphics here. The new chromosome went into the cell. In fact, we thought this might be as far as it went, but we tried to design the process a little bit further.
Това тук е важен механизъм за еволюцията. Откриваме различни видове, които са приели втори хромозом, или три отнякъде, добавяйки хиляди нови черти, за броени секунди към този вид. Така че хората, които се мислят за еволюцията като просто един ген, променящ се във времето, са пропуснали доста от биологията.
This is a major mechanism of evolution right here. We find all kinds of species that have taken up a second chromosome or a third one from somewhere, adding thousands of new traits in a second to that species. So, people who think of evolution as just one gene changing at a time have missed much of biology.
Има ензими наречени рестрикционни ензими, които всъщност поглъщат ДНК. Хромозомът, който беше в клетката няма такъв. Клетката, в която поставихме хромозома, има. Стана изразен и разпозна другия хромозом като чужд материал, погълна го, и накрая се оказахме само с клетката с новия хромозом. Стана синя заради гена, който поставихме в нея. И за много кратък период от време, всички характеристики на един вид бяха загубени, и тя се трансформира в напълно нов вид, базиран на новия софтуер, който поставихме в клетката. Всички протеини се промениха, мембраните се промениха -- когато четем генетичния код, точно това бяхме трансферирали.
There are enzymes called restriction enzymes that actually digest DNA. The chromosome that was in the cell doesn't have one; the chromosome we put in does. It got expressed and it recognized the other chromosome as foreign material, chewed it up, and so we ended up just with a cell with the new chromosome. It turned blue because of the genes we put in it. And with a very short period of time, all the characteristics of one species were lost and it converted totally into the new species based on the new software that we put in the cell. All the proteins changed, the membranes changed; when we read the genetic code, it's exactly what we had transferred in.
Това може да звучи като геномна алхимия, но ние можем, чрез разместване на ДНК софтуера, да променим доста драстично нещата. Сега, твърдя, че това не е генезиз -- това е градене върху три и половина милиарда години от еволюция, и твърдя, че може би сме на път да създадем нова версия на експлозията през Камбрия, където има изобилие от нови видове, базирани на този дигитален дизайн.
So, this may sound like genomic alchemy, but we can, by moving the software of DNA around, change things quite dramatically. Now I've argued, this is not genesis; this is building on three and a half billion years of evolution. And I've argued that we're about to perhaps create a new version of the Cambrian explosion, where there's massive new speciation based on this digital design.
Защо да правим това? Мисля, че това е доста очевидно, в предвид на някои от нашите нужди. На път сме да станем от 6,5 на 9 милиарда човека през следващите 40 години. За да го поставя в перспектива с мен: роден съм през 1946. В момента има 3 човека на планетата, за всеки от нас, който съществуваше през 1946; до 40 години ще бъдат 4. Имаме проблем с изхранването, подсигуряването на прясна, чиста вода, лекарства, гориво за 6,5 милиарда, ще е още по-трудно да се прави за 9. Използваме повече от 5 милиарда тона въглища, повече от 30 милиарда барела петрол. Това прави сто милиона барела на ден. Когато си мислим за биологичните процеси, или който и да е процес, който ще замени това, ще бъде огромно предизвикателство. После, разбира се, това е всичкия този CO2 от този материал, който се озовава в атмосферата.
Why do this? I think this is pretty obvious in terms of some of the needs. We're about to go from six and a half to nine billion people over the next 40 years. To put it in context for myself: I was born in 1946. There are now three people on the planet for every one of us that existed in 1946; within 40 years, there'll be four. We have trouble feeding, providing fresh, clean water, medicines, fuel for the six and a half billion. It's going to be a stretch to do it for nine. We use over five billion tons of coal, 30 billion-plus barrels of oil -- that's a hundred million barrels a day. When we try to think of biological processes or any process to replace that, it's going to be a huge challenge. Then of course, there's all that CO2 from this material that ends up in the atmosphere.
Сега, благодарение на нашите открития по цял свят, разполагаме с база данни с около 20 милиона гени, и ми се иска да си мисля за тях, като за дизайнерски компоненти за бъдещето. Електронната промишленост разполага само с дузина компоненти, а погледнете в цялото това разнообразие, което произлезе от този проект. Тук сме ограничени предимно от биологичната действителност и от нашето въображение. Сега разполагаме с техниките, заради тези бързи методи на синтезиране, да правим това, което се нарича комбинаторна генетика. Сега разполагаме с възможността да построим голям робот, който може да направи един милион хромозоми на ден. Когато се замислите за обработването на тези 20 милиона различни гени, или за опитите да се оптимизират процесите за производство на октан, или за производство на фармацевтични продукти, нови ваксини, може да променим, само с един малък екип, да правим повече молекулярна биология, отколкото през последните 20 години на всички науки. И това е просто стандартна селекция. Може да селектираме по жизнеспособност, за производство на химикали или горива, за производство на ваксини, и други.
We now, from our discovery around the world, have a database with about 20 million genes, and I like to think of these as the design components of the future. The electronics industry only had a dozen or so components, and look at the diversity that came out of that. We're limited here primarily by a biological reality and our imagination. We now have techniques, because of these rapid methods of synthesis, to do what we're calling combinatorial genomics. We have the ability now to build a large robot that can make a million chromosomes a day. When you think of processing these 20 million different genes or trying to optimize processes to produce octane or to produce pharmaceuticals, new vaccines, we can just with a small team, do more molecular biology than the last 20 years of all science. And it's just standard selection: we can select for viability, chemical or fuel production, vaccine production, etc.
Това е снимка на екрана, на истински софтуер за дизайн, върху който работим, за да можем да седнем и да проектираме видове на компютъра. Знаете ли, нямаме представа как ще изглежда непременно. Знаем как точно ще изглежда техния генетичен код. Сега се съсредоточаваме върху четвърто поколение горива. Видяхте наскоро, че царевицата, превърната в етанол е просто един лош експеримент. Имаме второ и трето поколение горива, които ще се появят относително скоро, които са захар, преобразуван в горива с по-голяма стойност, като октан или различни видове бутанол.
This is a screen snapshot of some true design software that we're working on to actually be able to sit down and design species in the computer. You know, we don't know necessarily what it'll look like: we know exactly what their genetic code looks like. We're focusing on now fourth-generation fuels. You've seen recently, corn to ethanol is just a bad experiment. We have second- and third-generation fuels that will be coming out relatively soon that are sugar, to much higher-value fuels like octane or different types of butanol.
Но единствения начин по който мислим, че биологията може да окаже голямо въздействие без по-нататък да се увеличава цената на горивата, и без да се ограничава достъпността е, ако започнем с CO2 като изходна суровина, и така работим над проектирането на клетки, които да правят това. Мислим, че ще имаме първите горива от четвърто поколение след около 18 месеца. Слънцето и CO2 са един метод -- (Ръкопляскане) -- но в нашите открития по целия свят, ние имаме всякакви други методи.
But the only way we think that biology can have a major impact without further increasing the cost of food and limiting its availability is if we start with CO2 as its feedstock, and so we're working with designing cells to go down this road. And we think we'll have the first fourth-generation fuels in about 18 months. Sunlight and CO2 is one method ... (Applause) but in our discovery around the world, we have all kinds of other methods.
Това е организъм, който описахме през 1996. Той живее в дълбоката част на океана, на почти 2,4 километра дълбочина, при почти вряща температура на водата. Той преобразува CO2 в метан, като използва молекулярен водород като енергиен източник. Опитваме се да открием, дали може да вземем прихванат CO2, който може да бъде пренесен лесно до определени места, и да преобразуваме CO2 отново в гориво, за да подхраним този процес.
This is an organism we described in 1996. It lives in the deep ocean, about a mile and a half deep, almost at boiling-water temperatures. It takes CO2 to methane using molecular hydrogen as its energy source. We're looking to see if we can take captured CO2, which can easily be piped to sites, convert that CO2 back into fuel to drive this process.
И така скоро, мисля, че може да увеличим нашето знание, в основния въпрос, за това "Какво е животът?" Наистина, знаете ли -- имаме скроми цели, да заменим цялата нефтохимическа индустрия.
So, in a short period of time, we think that we might be able to increase what the basic question is of "What is life?" We truly, you know, have modest goals of replacing the whole petrol-chemical industry --
(Смях) (Ръкопляскане)
(Laughter) (Applause)
Да, ако не може да го постигнете в TED, къде другате може да го сторите?
Yeah. If you can't do that at TED, where can you? --
(Смях)
(Laughter)
Да се превърнат в основен източник на енергия. Но също така, ние работим над използването на тези същите инструменти, за да добием мигновен набор от ваксини. Видяхте тази година с грипа, че сме винаги година назад, и с един долар по-малко, когато става дума за правилната ваксина. Мисля, че това може да се промени, като се изградят предварително комбинаторни ваксини. Ето как може да започне да изглежда бъдещето, с променящо се сега, еволюционно дърво, ускоряване на еволюцията със синтетични бактерии, археа, и в последствие еукариоти. Ние сме още далеч от подобряване на хората. Нашата цел е само да се уверим, че имаме шанс да оцелеем достатъчно дълго за да направим това. Много ви благодаря.
become a major source of energy ... But also, we're now working on using these same tools to come up with instant sets of vaccines. You've seen this year with flu; we're always a year behind and a dollar short when it comes to the right vaccine. I think that can be changed by building combinatorial vaccines in advance. Here's what the future may begin to look like with changing, now, the evolutionary tree, speeding up evolution with synthetic bacteria, Archaea and, eventually, eukaryotes. We're a ways away from improving people: our goal is just to make sure that we have a chance to survive long enough to maybe do that. Thank you very much.
(Ръкопляскане)
(Applause)