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.
Como sabem, eu já falei sobre alguns desses projetos antes sobre o genoma humano e a sua importância e a descoberta de novos conjuntos de genes. De fato estamos começando em um novo ponto: nós temos digitalizado a biologia, e agora tentamos ir desse código digital para uma nova fase na biologia, projetar e sintetizar vida.
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?"
Então, sempre temos feito grandes perguntas. "O que é vida?" é algo que acho que muitos biólogos têm tentado compreender em vários níveis. Nós temos tentado várias abordagens, reduzindo-a aos seus componentes mínimos. Nós estamos digitalizando isso agora por quase 20 anos. Quando nós sequenciamos o genoma humano, partiu-se do mundo análogo da biologia para o mundo digital do computador. Agora tentamos perguntar, podemos regenerar vida, ou podemos criar nova vida, a partir desse universo digital?
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.
Esse é o mapa de um pequeno organismo, Mycoplasma genitalium, que apresenta o menor genoma para uma espécie que pode se auto-replicar em laboratório. E nós estivemos tentando apenas ver se conseguimos chegar a um genoma ainda menor. Nós somos capazes de eliminar algo em torno de cem genes dos cerca de 500 que temos aqui. Mas quando olhamos para o seu mapa metabólico ele é relativamente simples comparado ao nosso. Acreditem, isso é simples. Mas quando olhamos todos esses genes que podemos eliminar um por um, é pouco provável que isso resultaria em uma célula viva. Então, decidimos que a única maneira de ir adiante era sintetizar esse cromossomo de fato podendo variar os componentes para contestar algumas dessas questões mais fundamentais. E então iniciamos o caminho rumo a, "Podemos sintetizar um cromossomo?" A química nos permite construir essas moléculas realmente grandes algo que nunca fizemos antes? E, se nós fizermos, poderemos ligar um cromossomo? Um cromossomo, a propósio, é só um pedaço inerte de material químico. Então, nosso ritmo de digitalização da vida tem aumentado em um ritmo exponencial.
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.
Nossa habilidade em escrever o código genético tem se modificado bem lentamente, mas tem crescido. E nosso último ponto a colocaria numa curva exponencial. Começamos isso há 15 anos atrás. Levou vários estágios, de fato, começando com uma revisão bioética antes de realizarmos os primeiros experimentos. Mas descobriu-se que sintetizar DNA é muito difícil. Há dezenas de milhares de máquinas pelo mundo que fazem pequenos pedaços de DNA, segmentos de 30 a 50 letras, e esse é um processo degenerativo, então quanto maior o pedaço construído, mais erros haverão. Então tivemos que criar um novo método para colocar todos esses pequenos pedaços juntos e corrigir todos os erros.
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 essa foi nossa primeira tentativa, começando com a informação digital do genoma do Phi X 174. Esse é um pequeno vírus que ataca bactérias. Nós projetamos os pedaços, passamos pelo nosso corretor de erros, e obtemos uma molécula de DNA de cerca de 5.000 letras. A parte empolgante começou quando pegamos esse pedaço de material químico inerte e inserimos em uma bacteria, e a bactéria começou a ler esse código genético, fabricando as partículas virais. As partículas virais foram então liberadas das células, voltaram e mataram as E. coli. Eu estive conversando com a industria de petróleo, recentemente, e disse que eles entendem este modelo claramente.
(Laughter)
(Risos)
They laughed more than you guys are. (Laughter)
Eles riram mais do que vocês.
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.
Então pensamos que esta é uma situação onde o software pode, realmente, construir seu próprio hardware em um sistema biológico. Mas queríamos ir mais além. Nós queríamos construir o cromossomo bacteriano inteiro. São mais de 580.000 letras de código genético. Então pensamos em contruí-lo em partes do tamanho dos vírus, de forma a podermos variar as partes para entender quais são os componentes efetivos de uma célula viva. Projetar é crítico, e se você inicia com a informação digital no computador, essa informação deve ser realmente precisa. Quando nós primeiramente sequenciamos esse genoma em 1995, o padrão de precisão era de um erro a cada 10.000 pares de bases. Nós descobrimos, re-sequenciando este genoma, 30 erros. Se tivessemos usado aquela sequência original, ela nunca teria sido capaz de funcionar. Parte de projetar é desenhar pedaços de cerca de 50 letras que precisa se encaixar com todos os outros pedaços de 50 letras para construir subunidades menores que precisamos desenhar de forma que elas possam se combinar. Nós desenhamos elementos únicos nessas sequências.
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.
Vocês devem ter lido que colocamos marcas-d'água nelas. Pensem nisso: nós temos um código genético de quatro letras: A, C, G e T. Trincas dessas letras -- essas letras codificam apenas 20 aminoácidos -- assim há uma designação de uma única letra para cada aminoácido. Então podemos usar o código genético para escrever palavras, frases, pensamentos. Inicialmente, tudo que fizemos foi autografar a sequência. Alguns ficaram desapontados por não ser poesia. Nós projetamos os pedaços de modo que pudessemos digeri-los com enzimas. Há enzimas que fazes reparos e os ligam. E começamos fazendo os pedaços, inicialmente com pedaços de 5 a 7.000 letras juntando-os para fazer pedaços de 24.000 letras, e então unir conjuntos desses até pedaços de 72.000 letras.
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.
Em cada estágio, aumentamos abundantemente esses pedaços de forma que pudéssemos sequenciá-los porque estamos tentando criar um processo que é extremamente robusto -- que vocês poderão ver em um minuto. Estamos tentando chegar ao ponto de automação. Isso se assemelha às finais do basquete. Quando chegamos nesses pedaços realmente grandes -- com mais de 100.000 pares de bases -- eles não crescem de imediato em E. coli. Isso exaure todas as modernas ferramentas da biologia molecular. E então nos voltamos para outros mecanismos. Sabíamos que existia um mecanismo denominado recombinação homóloga, que a biologia utiliza para reparar DNA, que pode unir esses pedaços. Aqui está um exemplo disso. Há um organismo chamado Deinococcus radiodurans que pode suportar três milhões rads de radiação.
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.
Vocês podem ver no painel, que o cromossomo se fragmenta. 12 a 24 horas depois, ele se reconstitui exatamente como era antes. Nós temos milhares de organismos capazes de fazer isso. Esses organismos podem ser totalmente dessecados. Eles podem viver no vácuo. Estou absolutamente convicto que possa existir vida no espaço, se mover, encontrar um novo ambiente aquoso. De fato, a NASA tem mostrado um monte disso por aí.
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.
Aqui está um micrográfico da molécula que construímos usando esses processos -- na verdade usando apenas mecanismos de levedura com o correto desenho dos pedaços que colocamos. A levedura os une automaticamente. Esse não um micrográfico eletrônico; é apenas uma fotomicrografia normal. Esta é uma molécula tão grande que podemos visualisá-la com microscópio óptico. Essas são fotos de um período de cerca de seis segundos.
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.
Essa é a publicação que fizemos há pouco tempo atrás. São mais de 580.000 letras de código genético. É a maior molécula, de uma estrutura definida, feita por humanos. Ela pesa mais de 300 milhões de massa molecular. Se imprimissemos em fonte 10, sem espaços, seriam necessárias 142 páginas apenas para imprimir esse código genético. Bem, como ligamos um cromossomo? Como o ativamos? Obviamente, com vírus é muito simples. É bem complicado lidar com bactérias. Também é mais simples quando você lida com eucariontes, como nós: você pode apenas retirar o núcleo e substituir por um outro, e isso é tudo aquilo que vocês já ouviram falar sobre clonagem. Com arqueobactérias, o cromossomo é integrado a célula, mas recentemente demonstramos que podemos fazer um transplante completo de um cromossomo de uma célula para outra e ativá-lo. Nós purificamos o cromossomo de uma espécie de micróbio. Grosso modo, esses dois são tão distantes quanto humanos e camundongos. Nós adicionamos alguns genes extras de modo que pudemos selecionar esse cromossomo. Nós o digerimos com enzimas para eliminar todas as proteínas. E foi bastante surpreendente quando o colocamos na célula -- e vocês irão apreciar nossos gráficos bem sofisticados aqui -- o novo cromossomo entrou na célula. De fato, achamos que este deveria ser o mais longe que iríamos, mas tentamos desenhar o processo um pouco mais além.
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.
Bem aqui, temos um dos principais mecanismos da evolução. Nós encontramos todos os tipos de espécies que adquiriram um segundo cromossomo ou um terceiro de algum lugar, adicionando milhares de novas características em um segundo para aquela espécie. Então pessoas que pensam em evolução como sendo uma mudança em um gene por vez perderam muito de 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.
Há enzimas denominadas enzimas de restrição que efetivamente digerem DNA. O cromossomo que estava na célula não tinha nenhuma. A célula -- o cromossomo que inserimos -- tem. Ele foi expressado, e reconheceu o outro cromossomo como um corpo estranho, digeriu-o, e então acabamos só com a célula com o novo cromossomo. Ela tornou-se azul devido a genes que inserimos. E num curto intervalo de tempo, todas as características de uma espécie foram perdidas, e totalmente convertida em uma nova espécie, baseada no novo software que colocamos na célula. Todas as proteínas mudaram, as membranas modificaram-se -- quando lemos o código genético, ele é exatamente aquele que transferimos para célula.
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.
Isto pode soar como alquimia genômica, mas nós podemos, modificando o software DNA, mudar as coisas de uma forma bastante intensa. Agora, eu argumentei, isto não é criação - é algo desenvolvido a partir de três bilhões e meio de anos de evolução, e eu suporto a idéia de que estamos, talvez, prestes a criar uma nova versão da explosão Cambriana em que haveverá uma nova e massiva especiação baseada nesse projeto digital.
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.
Por que fazer isto? Acredito que isto seja bastante óbvio em termos das necessidades. Estamos prestes a passar de seis e meio para nove bilhões de pessoas nos próximos 40 anos. Contextualizando para mim mesmo: Nasci em 1946. Existe hoje no planeta, três pessoas para cada um de nós que existíamos em 1946; em 40 anos, serão quatro. Temos problemas em alimentar, fornecer água pura e limpa, remédios, combustível para seis e meio bilhões. Será ainda pior para nove bilhões. Nós usamos mais de 5 bilhões de toneladas de carvão, mais 30 bilhões de barris de óleo. São centenas de milhões de barris por dia. Quando tentamos pensar em processos biológicos ou qualquer outro processo para substituir, isto será um grande desafio. Além disso, claro, há todo o CO2 proveniente desse material que acaba na 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.
Nós agora, a partir de nossas descobertas ao redor do mundo, temos um banco de dados com cerca de 20 milhões de genes, e eu gosto de pensar neles como os componentes do desenho do futuro. A indústria eletrônica tem apenas uma dúzia mais ou menos de componentes, e vejam a diversidade que há a partir deles. Fundamentalmente estamos limitados por uma realidade biológica e nossa imaginação. Nós agora temos técnicas, devido a esses rápidos métodos de síntese, de fazer o que estamos chamando de genômica combinatória. Agora temos a habilidade de construir um grande robô capaz de fazer um milhão de cromossomos por dia. Quando você pensa em processar esses 20 milhões de genes diferentes, ou tentar otimizar processos para produzir octano ou produzir fármacos, novas vacinas, podemos mudar, apenas com uma pequena equipe, fazer mais biologia molecular do que nos últimos 20 anos em toda a ciência. E isso é apenas seleção padrão. Nós podemos selecionar pela viabilidade, produção de combustível ou química, produção de vacinas, 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.
Esta é visualização de alguns softwares de desenho reais, em que estamos trabalhando para podermos nos sentar e desenhar espécies no computador. Vocês sabem, nós não sabemos necessariamente como ela se parecerá. Nós sabemos exatamente como o código genética delas será. Nós estamos focando agora em combustíveis de quarta-geração. Recentemente vocês viram que etanol a partir de milho é uma péssima experiência. Nós temos combustíveis de segunda e terceira geração que estarão disponíveis relativamente em breve que são açúcar, para combustíveis de valor bem mais alto como octano ou diferentes tipos de butanol.
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.
Mas a única forma que pensamos que a biologia possa ter um impacto maior sem aumentar mais os custos ou limitar a disponibilidade de alimentos é se começarmos com o CO2 como reagente e então estamos trabalhando em projetar células que sigam este princípio e achamos que teremos os primeiros combustíveis de quarta-geração em aproximadamente 18 meses. Energia solar e CO2 são um método -- (Aplausos) -- mas em nossas descobertas pelo mundo, nós temos vários outros tipos de métodos.
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.
Esse é um organismo descrito em 1996. Ele vive em águas profundas, cerca de uma milha e meia de profundidade, quase sob temperaturas de fervura da água. Ele transforma CO2 em metano usando hidrogênio como fonte de energia. Nós estamos tentando ver se podemos coletar o CO2 capturado, que pode ser facilmente encanado para terrenos, converter esse CO2 de volta em combustível para dirigir esse 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 --
Então em um pequeno período de tempo, achamos que poderemos ser capazes de aumentar o que é a básica questão de "O que é vida?" Nós sinceramente, vocês sabem -- temos objetivos modestos de substituir toda a indústria petroquímica.
(Laughter) (Applause)
(Risos) (Aplausos)
Yeah. If you can't do that at TED, where can you? --
Sim. Se você não pode fazer isto no TED, onde mais?
(Laughter)
(Risos)
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.
Tornar uma principal fonte de energia. Mas além disso, nós estamos agora trabalhando em usar essas mesmas ferramentas para criar conjuntos urgentes de vacinas. Vocês viram este ano com a gripe, estamos sempre um ano atrás e um dólar a menos quando se trata de criar a vacina certa. Acho que isto pode ser mudado construindo vacinas combinadas antecipadamente. Aqui está como o futuro pode começar a parecer pela mudança, agora, da árvore evolutiva, acelerando a evolução com bactérias sintéticas, arqueobactérias, e eventualmente eucariontes. Estamos em vias distantes de melhoramento humano. Nosso objetivo é apenas assegurar que tenhamos uma chance de sobreviver tempo suficiente para talvez fazer isto. Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)