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.
Am mai vorbit despre unele dintre aceste proiecte, despre genomul uman și ce ar putea el să reprezinte, și despre descoperirea unor noi seturi de gene. Acum începem, de fapt, de la un nou punct: am digitizat biologia, și acum încercăm să pornim de la acest cod digital și să intrăm într-o nouă fază a biologiei, modelând și sintetizând forme de viață.
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?"
Am încercat tot timpul să ne punem întrebări importante. "Ce este viața?" e ceva ce cred că mulți biologiști au încercat să înțeleagă la diverse niveluri. Am încercat diferite abordări, simplificând viața la componentele de bază. Digitizăm deja de aproape 20 ani. Când am secvenționat genomul uman, acesta a plecat din lumea analogică a biologiei în lumea digitală a calculatorului. Acum încercăm să întrebăm: putem regenera viata, sau putem crea noi forme de viață, din acest univers 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.
Aceasta este harta unui organism mic, Mycoplasma genitalium, care are cel mai mic genom pentru o specie care se poate replica singura in laborator. Noi am încercat să vedem dacă putem sa venim cu un genom și mai mic. Am reușit să suprimăm de ordinul unei sute de gene din cele în jur de 500 care sunt acolo. Dar, când ne uităm la lui harta metabolică, e destul de simplă în comparație cu a noastră. Credeți-mă, asta e simplu. Dar când ne uităm la toate genele pe care le putem suprima la un moment dat, este puțin probabil ca asta să producă o celulă vie. Așa că am decis că singura cale înainte este ca de fapt să sintetizăm acest cromozom, în așa fel încât să putem varia componentele pentru a adresa unele din cele mai fundamentale întrebări. Și așa am început pe drumul catre, "Putem sintetiza un cromozom?" Poate chimia permite sintetizarea acestor molecule foarte mari pe care nu le-am mai făcut vreodată? Și, dacă da, putem activa un cromozom? Un cromozom, apropo, este doar o bucată de material chimic. Deci, viteza noastră de a digitiza viața a crescut la un ritm exponential.
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.
Abilitatea noastră de a scrie cod genetic se mișcă destul de încet, dar a crescut. Ultima dată a ajuns la o curbă exponențială. Am început asta acum mai bine de 15 ani. Am trecut prin câteva etape, începând, de fapt, cu o examinare bio-etică înainte de a face primele experimente. Dar, se dovedește că sintetizarea ADN-ului este foarte dificilă. Sunt zeci de mii de mașinarii în lume care fac bucăți mici de ADN, lungi de 30 până la 50 de litere, dar este un proces degenerativ, așa că de ce construiești o bucată mai lungă, cu atat mai multe erori apar. Așa că a trebuit să creăm o metodă noua pentru a pune aceste bucăți mici împreună și a corecta toate erorile.
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.
Aceasta a fost prima noastră tentativă, pornind de la informația digitală, de a sintetiza genomul lui Phi X 174. E un virus mic care omoară bacterii. Am făcut design-ul bucăților, am trecut prin corectarea erorilor, și am obținut o moleculă de ADN de numai aproximativ 5000 de litere. Partea interesanta a venit când am luat aceasta bucată de material chimic inert și am pus-o in bacterie, iar bacteria a început să citească acest cod genetic, și să producă părțile virusului. Particulele virale au fost apoi eliberate din celule și s-au întors și au omorât celulele de E. coli. Vorbeam cu industria petrolului de curând și ziceau că înțeleg foarte clar acest model.
(Laughter)
(Râsete)
They laughed more than you guys are. (Laughter)
Ei au râs mai mult decât 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.
Și așa credem că asta e o situație în care software-ul își poate construi propriul hardware într-un sistem biologic. Dar am vrut să facem ceva mai mare. Am vrut să construim întregul cromozom al unei bacterii. Acesta este de peste 580.000 de litere de cod genetic. Așa că am zis să punem perechile de litere în casete de mărimea virusurilor pentru a putea, de fapt, varia mărimea casetelor încât să înțelegem care sunt componentele reale ale unei celule vii. Design-ul este critic, iar dacă începi cu informația digitală din calculator, acea informație trebuie să fie foarte exactă. Când am secvenționat prima dată acest genom in 1995, standardul de precizie era de o eroare la 10.000 de perechi de baze. Am găsit, în urma resecvenționării, 30 de erori. Dacă am fi folosit secvența originală, aceasta nu ar fi putut niciodată să fie activată. Parte din design este proiectarea unor bucăți, care are lungimea de 50 de litere, care trebuie sa se suprapuna cu toate celelalte bucăți de 50 de litere pentru a construi sub-unități mai mici trebuie să proiectăm astfel încât bucățile să fie compatibile unele cu altele. Proiectăm elemente unice.
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.
Poate ați citit că am pus "watermarks" in casete. (n.t semne distinctive pentru recunoasterea originalului de copii) Gândiți-vă la asta: avem un cod genetic alcătuit din patru litere: A, C, G și T. Triplete din acele litere-- acele litere codifică aproximativ 20 de amino acizi-- o singură literă desemnează fiecare amino acid. Așa că putem folosi codul genetic pentru a scrie cuvinte, propoziții, gânduri. Inițial, tot ce am făcut a fost să autografiem codul. Unii au fost dezamăgiți că nu e poezie. Am proiectat acele bucăți astfel încât să le putem digera cu enzime. Sunt enzime care le repară și le unesc. Așa că am început să facem bucățile, începând cu bucăți de 5 până la 7.000 de litere, potrivindu-le pe acestea să facem bucăți de 24.000 de litere, și apoi punând seturi din acestea laolaltă, mergând până la 72.000.
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.
La fiecare etapă, am înmulțit aceste bucăți din abundență pentru a le putea secvenționa, întrucât încercăm să creăm un proces extrem de robust - după cum veți vedea într-un minut. Încercăm să ajungem la acel punct de automatizare. Deci, asta arată ca un teren de basket. Când ajungem la piese foarte mari, de peste 100.000 de perechi de baze, nu mai cresc asa usor în E. coli. Epuizează toate uneltele biologiei moleculare moderne. Așa că ne-am îndreptat spre alte mechanisme. Știam că există un mecanism numit recombinare omoloagă, pe care biologia il folosește să repare ADN, și care unește bucăți. Acesta este un exemplu. Există un organism numit Deinococcus radiodurans care poate suporta milioane de razi de radiație.
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.
După cum vedeți în panoul de sus, cromozomul lui este distrus în bucăți. 12 până la 24 de ore mai târziu, l-a pus din nou laolaltă asa cum era la inceput. Avem mii de organisme care pot face asta. Aceste organisme pot fi desecate total. Pot să trăiască în vid. Eu sunt absolut sigur că viața poate să existe în spațiul extraterestru, să se miște, să găseacă un nou mediu umed. De fapt, NASA a arătat că asta se întamplă acolo.
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.
Aici este un micrografic al unei molecule pe care am construit-o folosind aceste procese - de fapt folosind doar mechanismele drojdiei cu design-ul adecvat al pieselor pe care le-am pus înăuntru. Drojdia le pune împreună automat. Aceasta nu este o imagine de la un microscop cu electroni, ci doar un foto-micrografic obișnuit. E așa o moleculă mare, încât o putem vedea cu un microscop optic. Acestea sunt imagini colectate peste o perioadă de aproximativ 6 secunde.
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.
Asta este o publicație pe care am avut-o acum puțin timp. Acestea sunt peste 580.000 de litere de cod genetic. Este cea mai mare moleculă făcută vreodată de oameni, cu o structură definită. Are o masă moleculară de peste 300 de milioane. Dacă o printăm cu un font de 10 și fără spații, ia 142 de pagini să printezi acest cod genetic. Deci, cum pornim un cromozom? Cum îl activăm? Evident, cu un virus e destul de ușor. Dar este mult mai complicat să lucrezi cu bacterii. Este, de asemenea, mai ușor când ajungi la eucariote, ca noi: poți doar să scoți nucleul și să pui altul, și asta este ceva ce toți ați auzit - clonarea. Cu bacteriile archaea, cromozomul este integrat în celulă, dar am arătat de curând că putem face un transplant complet al unui cromozom, de la o celulă la alta, și îl putem activa. Am purificat un crozom de la una din speciile microbiale. Acestea doua sunt aproximativ la fel de distante ca oamenii și șoarecii. Am adăugat câteva gene în plus ca să putem selecta pentru acest cromozom. L-am digerat cu enzime pentru a omorî toate proteinele. Și a fost destul de uluitor când l-am pus în celulă - veți aprecia graficele noastre foarte sofisticate - iar cromozomul a intrat în celulă. De fapt, am crezut că asta e cât de departe se poate merge, dar am încercat să proiectăm procesul ceva mai departe.
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.
Acesta este un mecanism major al evoluției. Găsim tot felul de specii care au încorporat un al doilea cromozom, sau un al treilea, din altă parte, adăugând speciei respective, mii de noi caracteristici într-o secundă. Deci cei care se gândesc la evoluție doar ca o singură genă schimbându-se la un moment dat au pierdut mult din biologie.
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.
Sunt enzime, numite enzime de restricție, care de fapt digeră ADN. Cromozomul care era în celulă nu o are. Celula - cromozomul pe care l-am pus noi - le are. A fost exprimat și a recunoscut celălalt cromozom ca material străin, l-a digerat, și așa am ajuns doar cu celula cu cromozomul cel nou. A devenit albastră din cauza genelor pe care le-am pus în cromozom. Și, după o perioadă foarte scurtă de timp, toate caracteristicile unei specii s-au pierdut, și s-a convertit total într-o specie nouă, bazată pe software-ul pe care l-am pus în celulă. Toate proteinele au fost schimbate, membranele au fost schimbate - când citim codul genetic, este exact ceea ce am transferat.
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.
Asta poate suna ca alchimie genomică, dar putem, mutând software-ul ADN, să schimbăm lucrurile destul de dramatic. Acum, am susținut că asta nu este geneză - ci a construi pe trei miliarde de ani și jumătate de evoluție; și am susținut că poate suntem pe cale de a crea o nouă versiune a exploziei Cambriane, în care are loc o nouă speciere masivă, bazată pe design 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.
De ce să facem asta? Cred că este destul de evident din punct de vedere al unor nevoi. Suntem pe cale să mergem de la șase și jumătate la nouă miliarde de oameni peste 40 de ani. Ca să pun asta în context pentru mine însumi: eu m-am născut în 1946. Acum sunt trei oameni pe planetă pentru fiecare dintre noi care existau în 1946; în 40 de ani, vor fi patru. Avem probleme hrănind, furnizând apă potabilă, medicamente, combustibil celor șase miliarde și jumătate. Va fi dificil să o facem pentru nouă. Folosim peste 5 miliarde de tone de cărbuni, mai mult de 30 de miliarde de barili de petrol. Asta înseamnă o sută de milioane de barili pe zi. Când vom încerca să ne gândim la procese biologice sau la orice proces care să înlocuiască asta, va fi o provocare imensă. Apoi, desigur, este tot acel CO2 de la acest material, care ajunge în atmosferă.
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.
Acum, de la descoperirile noastre din jurul lumii, avem o bază de date cu peste 20 de milioane de gene, și îmi place să mă gândesc la acestea ca la componentele design-ului din viitor. Industria electronicelor are doar o duzină, sau așa ceva, de componente, și iată diversitatea care a ieșit din asta. Suntem limitați aici, în primul rând, de o realitate biologică și de imaginația noastră. Avem acum tehnicile, datorate acestor metode rapide de sinteză, să facem ceea ce noi numim, combinatorică genimică. Avem abilitatea de a construi un robot mare care să facă un milion de cromozomi pe zi. Când te gândești să procesezi aceste 20 de milioane de gene diferite, sau să încerci să optimizezi procese de a produce octan, sau produse farmaceutice, vaccinuri noi, putem schimba, doar cu o echipă mică, să facem mai multă biologie moleculară decât ultimii 20 de ani din toată știința. Și asta e doar selecție standard. Putem selecta pentru viabilitate, producție de substanțe chimice sau de combustibili, producție de vaccinuri, et cetera.
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.
Aceasta este o captură de ecran al unui software de design la care lucrăm, pentru a putea să ne așezăm și să lucrăm la aceste specii în calculator. Știți, nu știm neapărat cum va arăta. Știm exact cum arată codul lor genetic. Acum ne concentrăm pe combustibili de a patra generație. Ați văzut recent că din porumb la etanol este doar un experiment nereușit. Avem combustibili de generația a doua și a treia care vor apărea destul de curând, care sunt zaharuri, la combustibili de mai mare valoare ca octanul sau tipuri diferite 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.
Dar singurul mod în care credem că biologia poate avea un impact major fără a crește mai mult costul alimentelor și fara a limita disponibilitatea lor este dacă începem cu CO2 ca materie prima, și lucrăm pentru a proiecta celule pentru acest scop, și credem că vom avea primii combustibili de generația a patra în aproximativ 18 luni. Lumină solară și CO2 este o metodă - (Aplauze) - dar in descoperirile noastre din jurul lumii avem tot felul de alte metode.
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.
Acesta este un organism pe care l-am descris în 1996. Trăiește în adâncul oceanului, aproximativ doi kilometri și jumătate în adâncime, la temperaturi apropiate de fierbere. Transformă CO2 în metan utilizând hidrogen molecular ca sursă de energie. Încercăm să vedem dacă putem lua CO2 capturat, care poate fi ușor transportat în țevi, și să convertim acel CO2 înapoi în combustibil, pentru a conduce acest proces.
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 --
Deci într-o perioadă scurtă de timp, credem că am putea mări ceea ce este întrebarea de bază "Ce este viața?" Noi într-adevăr, știți - avem obiective modeste de a înlocui întreaga industrie petro-chimică.
(Laughter) (Applause)
(Râsete)(Aplauze)
Yeah. If you can't do that at TED, where can you? --
Da. Dacă nu poți face asta la TED, unde în altă parte?
(Laughter)
(Râsete)
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.
Să devină o sursă majoră de energie. Dar deasemenea, lucrăm acum să folosim aceste aceleași surse pentru a inventa seturi de vaccinuri imediat. Ați văzut anul acesta cu gripa, suntem mereu cu un an în urmă și un dolar în minus când vine vorba de vaccinul potrivit. Cred că situația poate fi schimbată construind vaccinuri combinatorice dinainte. Iată cum ar putea să înceapă să arate viitorul schimbând acum arborele evoluției, accelerând evoluția cu bacterii sintetice, archea, și, în final, eukariote. Suntem aproape să îmbunătățim oameni. Obiectivul nostru este doar să ne asigurăm că avem o șansă să supraviețuim destul de îndelungat pentru a putea face asta. Vă mulțumesc foarte mult.
(Applause)
(Aplauze)