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.
Come sapete ho già parlato di alcuni di questi progetti sul genoma umano, su cosa possa significare e sulla scoperta di nuovi set di geni. Ora stiamo iniziando un nuovo percorso: abbiamo iniziato a digitalizzare la biologia e ora a partire da quel codice digitale stiamo entrando in una nuova fase della biologia, progettando e sintetizzando vita.
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?"
Abbiamo sempre cercato di porre grandi domande. "Cos'è la vita?" è qualcosa che molti biologi credo abbiano tentato di capire a vari livelli. Abbiamo provato diversi approcci, riducendola ai minimi termini. Stiamo digitalizzando da quasi 20 anni ormai. Quando abbiamo sequenziato il genoma umano si trattava di passare dal mondo analogico della biologia al mondo digitale del computer. Ora ci chiediamo: possiamo rigenerare la vita, o creare nuova vita da questo universo digitale?
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.
Questa è la mappa di un piccolo organismo, il Mycoplasma genitalium, che è la specie dal genoma più piccolo tra quelle che possono autoreplicarsi in laboratorio. E abbiamo provato a ridurre ulteriormente il genoma per crearne uno ancora più piccolo. Siamo in grado di eliminare un centinaio di geni dei circa 500 che sono qui. Ma quando diamo un'occhiata alla sua mappa metabolica, è relativamente semplice rispetto alla nostra. Credetemi, questo è semplice. Ma quando guardiamo a tutti i geni che possiamo eliminare, uno alla volta, è molto improbabile che questo possa portare ad una cellula vivente. Quindi decidemmo che l'unica via per progredire fosse sintetizzare questo cromosoma in modo da poterne modificare le componenti per porre alcune di queste domande fondamentali. E quindi abbiamo iniziato l'avventura del "Possiamo sintetizzare un cromosoma?" Può la chimica consentire di produrre queste grandi molecole che non siamo mai riusciti a creare prima d'ora? E, in caso affermativo, possiamo far funzionare un cromosoma? Un cromosoma è semplicemente un pezzo di materiale chimico inerte. La velocità con cui siamo in grado di digitalizzare la vita sta crescendo a ritmo esponenziale.
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.
La nostra capacità di scrivere il codice genetico, invece, progredisce piuttosto lentamente, ma sta migliorando. E i nostri più recenti risultati la portano su una curva esponenziale. Abbiamo incominciato più di 15 anni fa. Il processo ha richiesto molti passaggi, iniziando con una revisione bioetica prima che iniziassimo i primi esperimenti. Ma abbiamo scoperto che sintetizzare del DNA è molto difficile. Ci sono decine di migliaia di macchine al mondo che producono piccoli segmenti di DNA, della lunghezza di 30 a 50 lettere ed è un processo degenerativo: più il segmento è lungo, più errori ci sono. Abbiamo quindi dovuto sviluppare un nuovo metodo per assemblare questi frammenti e correggere gli errori.
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.
E questo è stato il nostro primo tentativo, a partire da informazione digitale del genoma di Phi X 174. E' un piccolo virus che uccide batteri. Abbiamo progettato i frammenti, effettuato la correzione degli errori e ottenuto una molecola di DNA di circa 5000 lettere. La parte interessante è quando abbiamo preso questo pezzo di materiale chimico inerte e lo abbiamo inserito nei batteri, i batteri hanno incominciato a leggere questo codice genetico e a produrne le particelle virali. Le particelle virali sono poi state rilasciate dalle cellule, sono tornate indietro e hanno distrutto gli E. coli. Ho parlato di recente con membri dell'industria petrolifera dicendogli che loro che hanno certamente compreso questo modello.
(Laughter)
(Risate)
They laughed more than you guys are. (Laughter)
Loro hanno riso più di voi.
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.
Crediamo che questa sia una situazione in cui il software può davvero costruire il suo stesso hardware in un sistema biologico. Ma volevamo fare le cose più in grande. Volevamo costruire l'intero cromosoma del batterio. Sono più di 580 mila lettere di codice genetico. Quindi abbiamo pensato di costruirlo in cassette della dimensione dei virus, così da poter cambiare le cassette per capire quali siano i componenti di una cellula vivente. La progettazione è cruciale, e se iniziamo con informazioni digitali in un computer, queste devono essere molto accurate. Quando sequenziammo questo genoma per la prima volta nel 1995 l'accuratezza standard era di un errore per ogni 10 mila basi. Abbiamo scoperto, risequenziandolo, 30 errori. Se avessimo usato quella sequenza originale non saremmo mai stati in grado di farlo funzionare. Una parte del processo è progettare segmenti lunghi 50 lettere che si sovrappongano con tutti gli altri segmenti di 50 lettere per costruire sottounità più piccole che lavorino insieme. Progettiamo elementi unici qui.
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.
Probabilmente avete letto che ci inseriamo della filigrana. Pensatela così: abbiamo un codice genetico basato su quattro lettere: A, C, G e T. Tre di quelle lettere messe insieme codificano circa 20 amminoacidi, e c'è uno specifico ordine di lettere per ogni amminoacido. Quindi possiamo usare il codice genetico per scrivere parole, frasi, pensieri. Quello che abbiamo fatto all'inizio è stato autografarlo. Alcuni sono stati delusi dal fatto che non fosse poesia. Abbiamo progettato questi segmenti per poterli semplicemente unire con enzimi. Ci sono enzimi che li riparano e li mettono assime. E abbiamo iniziato ad assemblare delle parti, iniziando con segmenti da 5 a 7 mila lettere, unendoli in modo da formare segmenti di 24 mila lettere uniti a loro volta fino ad arrivare a 72 mila lettere.
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.
Ad ogni passo abbiamo prodotto questi segmenti in abbondanza così da poterli sequenziare dato che stiamo tentando di creare un procedimento estremamente robusto-- come vedrete in un minuto. Stiamo cercando di automatizzare il processo. Dunque, questo sembra il tabellone di un playoff di basket. Quando arriviamo a questi segmenti molto lunghi, più di 100 mila basi, non cresceranno più direttamente nell'E. coli. Si arriva al limite degli strumenti moderni della biologia molecolare. Quindi abbiamo considerato altri meccanismi. Sapevamo di un altro meccanismo chiamato ricombinazione omologa, che in biologia si utilizza per riparare il DNA in grado di unire i segmenti. Ecco un esempio. Questo organismo, chiamato Deinococcus radiodurans, può assorbire tre milioni di rad di radiazione.
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.
Potete vedere nel riquadro superiore come il suo cromosoma venga distrutto. In 12 - 24 ore viene riassemblato esattamente come era prima. Esistono migliaia di organismi che sono in grado di farlo. Questi organismi si possono seccare completamente. Possono vivere sotto vuoto. Sono assolutamente certo che la vita esista nello spazio, e si sposti per trovare nuovi ambienti ricchi di acqua. A dire il vero, la NASA ha mostrato che questo avviene.
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.
Questa è un'immagine della molecola che abbiamo costruito usando questi processi, semplicemente usando il lievito con il design appropriato dei segmenti da inserire. Il lievito li assembla automaticamente. Questa immagine non è stata scattata con un microscopio elettronico, ma con un microscopio regolare. E' una molecola talmente grande che riusciamo a vederla con un microscopio leggero. Queste sono foto che coprono un periodo di circa sei secondi.
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.
Questa è la pubblicazione che abbiamo fatto poco tempo fa. Sono più di 580,000 lettere di codice genetico. E' la molecola più grande di una struttura definita mai creata dall'uomo. Ha un peso molecolare superiore a 300 milioni. Se lo stampassimo con un carattere 10 senza spazi, ci vorrebbero 142 pagine solo per trascrivere questo codice genetico. Ora, come lo facciamo funzionare? come possiamo attivarlo? Ovviamente, tramite un virus è un gioco da ragazzi. E' un po' più complicato quando si usano dei batteri. E' più semplice anche quando si tratta di cellule eucariote come le nostre: puoi semplicemente estrarne il nucleo ed inserirne un altro, che è praticamente il processo di clonazione. Nel batterio archaea il cromosoma è invece integrato dentro alla cellula, ma abbiamo recentemente dimostrato che siamo in grado di fare un trapianto completo di un cromosoma da una cellula ad un'altra e di attivarlo. Abbiamo purificato un cromosoma partendo da una specie microbiale. I due sono diversi quanto gli uomini dai topi. Abbiamo aggiunto qualche gene in più in modo da poter decidere quale scegliere per questo cromosoma. L'abbia poi sciolto con gli enzimi in modo da uccidere tutte le proteine. E quando l'abbiamo messo nella cellula è stato stupendo-- e apprezzerete il nostro grafico sofisticato-- il nuovo cromosoma è andato dentro alla cellula. E inizialmente pensavamo che non potessimo andare oltre, ma abbiamo provato comunque a spingerci più in là.
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.
Questo è uno dei maggiori meccanismi di evoluzione. Abbiamo scoperto che tantissime specie hanno aggiunto un secondo o un terzo cromosoma da qualche parte, aggiungendo in un secondo migliaia di nuovi tratti a quella specie. Dunque chi pensa all'evoluzione come un solo gene alla volta che si modifica non ha capito gran parte della biologia.
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.
Esistono degli enzimi chiamati 'enzimi di restrizione' che addirittura digeriscono il DNA. Il cromosoma che era nella cellula non ne possiede uno. La cellula--il cromosoma che abbiamo inserito--ce l'ha. Si è espresso, e ha riconosciuto l'altro cromosoma come materiale estraneo, l'ha masticato, e ci siamo ritrovati con solo la cellula e il nuovo cromosoma. è diventato blu a causa dei geni che abbiamo inserito. E in un breve lasso di tempo, tutte le caratteristiche di una specie sono andate perse, e si è trasformato del tutto in una nuova specie, basato sul nuovo software che abbiamo inserito nella cellula. Tutte le proteine sono cambiate, le membrane sono cambiate, e quando leggiamo il codice genetico equivale esattamente a ciò che vi abbiamo trasferito.
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.
Ora, questo potrebbe sembrare alchemia genetica, ma alterando il software DNA possiamo cambiare le cose in maniera abbastanza sostanziale. Ora, ho già spiegato che qui non si parla di genesi -- ma di progresso a partire da tre milioni di anni e mezzo di evoluzione, e ho già detto che forse stiamo per creare una nuova versione dell'esplosione Cambriana in cui verranno create nuove specie basate su questo processo digitale.
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.
Perchè fare ciò? Penso che sia abbastanza ovvio quando pensiamo alle nostre necessità. Stiamo per passare da sei miliardi e mezzo di persone a 9 miliardi nei prossimi 40 anni. Giusto per dare un esempio: io sono nato nel 1946. Ora ci sono tre persone sul pianeta per ognuna esistente nel 1946; in 40 anni, ce ne saranno quattro. Stiamo avendo problemi adesso a trovare cibo, acqua fresca e pulita, medicinali e benzina per sei miliardi e mezzo di persone. Sarà ancora più dura farlo per nove miliardi. Utilizziamo più di 5 miliardi di carbone, più di 30 miliardi di barili d'olio. Ciò significa cento milioni di barili al giorno. Quando cerchiamo di trovare processi biologici, o qualsiasi tipo di processo per rimpiazzarli, sarà una sfida enorme. In più dobbiamo tener conto di tutta l'emissione di CO2 da questi materiali che finisce nell'atmosfera.
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.
Al giorno d'oggi, grazie alle scoperte scientifiche in tutto il mondo, abbiamo un database con circa 20 milioni di geni, e mi piace pensare che siano i componenti progettati per il futuro. L'industria elettronica possiede solo una dozzina circa di componenti, e pensate a quante cose diverse sono venute fuori. I nostri limiti qui sono dati principlamente dalla realtà biologica e dalla nostra immaginazione. Ora abbiamo delle tecniche, grazie a questi metodi rapidi di sintetizzazione, in grado di creare ciò che chiamiamo genomica combinatoria. Siamo in grado di costruire un grosso robot che può produrre un milione di cromosomi al giorno. Pensate di processare questi 20 milioni di geni diversi o di provare ad ottimizzare i processi per produrre ottano o farmaci, nuovi vaccini, possiamo cambiare, grazie a un piccolo team, e creare più biologia molecolare ora che negli ultimi 20 anni di scienza. Ed è semplicemente una selezione standard. Possiamo scegliere per possibilità di sopravvivenza, produzione chimica o di carburante, produzione di vaccini etc.
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.
Questa è un'istantanea di alcuni software programmati su cui stiamo lavorando per essere in grado di sederci e progettare specie al computer. Beh, non sappiamo necessariamente come saranno. Sappiamo esattamente com'è il loro codice genetico. Ora ci stiamo concentrando sui carburanti di quarta generazione. Avete visto anche voi che estrarre etanolo dal grano è stato un esperimento finito male. Abbiamo carburanti di seconda e terza generazione che usciranno abbastanza presto dallo zucchero a carburanti di più alto valore come l'ottano o diversi tipi di butanolo.
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.
Ma l'unico modo in cui la biologia possa avere un grande impatto senza aumentare maggiormente il costo del cibo e limitarne la disponibilità sarebbe trasformare la CO2 in materia prima, per cui stiamo lavorando per progettare cellule che possano raggiungere questo scopo, e pensiamo di poter aver i primi carburanti di quarta generazione in circa 18 mesi. La luce solare combinata con la CO2 è un metodo-- (Applausi) ma nelle nostre scoperte in tutto il mondo, abbiamo trovato diversi metodi.
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.
Questo è un organismo che abbiamo descritto nel 1996. Vive nell'oceano profondo, a circa 2500 metri di profondità alla temperatura di ebollizione dell'acqua. Crea metano dalla CO2 usando idrogeno molecolare come fonte di energia. Stiamo cercando di capire se possiamo incanalare la CO2, che può facilmente essere trasportata tramite tubi, convertire quella CO2 in carburante, per guidare questo processo.
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 --
Per cui a breve pensiamo che potremmo essere in grado di aumentare ciò che la domanda di base "che cos'è la vita" sia Noi, veramente-- abbiamo il modesto obiettivo di rimpiazzare l'intera industria petrolchimica.
(Laughter) (Applause)
(Risate) (Applausi)
Yeah. If you can't do that at TED, where can you? --
Esattamente. Se non puoi farlo da TED, dove puoi?
(Laughter)
(Risate)
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.
Diventerebbe una principale fonte di energia. Inoltre, stiamo lavorando per usare gli stessi metodi per creare vaccini istantanei. Avete visto quest'anno con l'influenza, siamo sempre indietro di un anno e con un dollaro in meno quando si tratta di trovare il vaccino giusto. Penso che ciò si possa cambiare costruendo vaccini combinabili in anticipo. Ecco come il futuro potrebbe iniziare a sembrare cambiando, ora, l'albero dell'evoluzione, accellerando l'evoluzione con batteri sintetici, archei, ed infine cellule eucariote. Siamo a tanto così dal migliorare le persone. Il nostro scopo è di fare in modo di vivere abbastanza a lungo per provare a farcela. Grazie mille.
(Applause)
(Applausi)