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.
Как вы знаете, я раньше уже рассказывал о некоторых подобных проектах. О человеческом геноме и о том, что это может значить, и об открытии новых наборов генов. Мы начинаем новое направление: мы пытаемся оцифровать биологию, и сейчас мы пытаемся перейти от этого цифрового кода к новой фазе биологии, которая проектирует и синтезирует жизнь.
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?"
Мы всегда интересовались глобальными вопросами: "Что есть жизнь?" - я думаю, многие биологи пытались это понять на разных этапах. Мы пробовали различные предположения, постепенно сокращая их до минимума. Мы занимаемся оцифровыванием информации уже на протяжении 20 лет. Когда мы разбили на последовательности человеческий геном, он перешёл из аналогового мира биологии в цифровой мир компьютеров. Сейчас мы задаёмся вопросом: «Возможно-ли воспроизвести или создать новую жизнь в этой цифровой вселенной?»
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.
Это карта маленького организма, который называется микоплазма гениталиум, он имеет наименьший геном для вида, который может самовоспроизводиться в лаборатории. Мы пытались понять, сможем-ли мы получить ещё меньший геном. Мы можем разбить его на куски порядка сотни генов из порядка пятиста, которые изображены здесь. Но если посмотреть на его метаболическую карту, она относительно проста по сравнению с нашей. Поверьте мне, она проста. Но когда мы смотрим на все гены, которые мы можем убрать по одному, то понимаем, что возможно это не приведёт к образованию живой клетки. Таким образом, мы решили, что единственный путь - это создать такую хромосому, в которой мы могли-бы варьировать компоненты, чтобы ответить на фундаментальные вопросы. И мы начали с самого начала "Можем-ли мы синтезировать хромосому?" Позволит-ли химия создать эти действительно большие молекулы там, где мы никогда не были? И если да, то сможем-ли мы "запустить" эти хромосомы? Хромосома, кстати, - это только часть инертного химического материала. Так, наш темп оцифровывания жизни возрастал по экспоненте.
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.
Наша способность записывать генетический код возрастает довольно медленно, но всё-таки возрастает. Самая последняя точка развития будет поставлена на экспоненциальной кривой прямо сейчас. Мы начали более 15 лет назад. Работа проходила в нескольких стадий, начавшись с обсуждения био-этических аспектов до того, как мы сделали первый эксперимент. Оказалось, что синтезировать ДНК очень трудно. В мире есть десятки тысяч машин, которые делают маленькие части ДНК, длиной от 30 до 50 символов. Но это дегенеративный процесс, то есть чем длиннее часть, тем больше в ней ошибок. Таким образом, нам нужно было создать новый метод для склеивания этих маленьких кусочков и исправления всех ошибок.
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.
И это была наша первая попытка, начавшаяся с оцифровывания информации генома Phi X 174. Это маленький вирус, который убивает бактерии. Мы разработали части, исправили ошибки и получили молекулу ДНК размером примерно в 5000 символов. Самое интересное началось, когда мы взяли кусок этого инертного химического вещества и поместили его в бактерию, и бактерия начала читать генетический код, создавать вирусные частицы. Затем эти частицы начали освобождаться из клеток, они вернулись и уничтожили бактерию E. coli. Я недавно разговаривал с нефтепереработчиками, и они поняли эту модель.
(Laughter)
(смех)
They laughed more than you guys are. (Laughter)
Они смеялись больше, чем вы.
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.
Итак, мы думаем, что это та ситуация, где программное обеспечение фактически строит своё оборудование в биологической системе. Но мы хотели пойти дальше. Мы хотели построить целую бактериальную хромосому. Это более 580 000 символов генетического кода. Мы решили строить их в "контейнерах" размером с вирус, так, чтобы мы могли менять эти "контейнеры", чтобы понять, что является фактическим компонентом живой клетки. Разработка является очень важной, и если вы начинаете с цифровой информации в компьютере, эта информация должна быть очень точной. Когда мы впервые упорядочили этот геном в 1995 году, точность составляла одну ошибку на 10 000 базовых пар. При повторном упорядочивании мы нашли 30 ошибок. Если бы мы использовали начальную последовательность, то мы бы не смогли "запустить" эту хромосому. Часть этой разработки - это проектирование кусков длиной 50 символов, которые должны пересекаться со всеми другими 50-символьными кусками для создания меньших подгрупп, которые мы должны построить, чтобы потом их соединить. Мы разработали уникальные элементы.
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.
Вы наверное читали, что мы поместили в него водяной знак. Представьте: мы имеем 4-х символьный генетический код: A, C, G и T. Триплекс из этих букв – это символьный код для приблизительно 20 аминокислот, а одна буква – это обозначение для каждой аминокислоты. Итак, мы можем использовать генетический код для записи слов, предложений, мыслей. Вначале, всё что мы сделали - была "матрица". Некоторые были разочарованы отсутствием в этом поэзии. Мы разрабатывали эти кусочки, так чтобы они могли быть "пережёваны" ферментами. Есть ферменты, которые восстанавливают их и складывают вместе. И мы начали делать кусочки. Начали с кусочков размером от 5 000 до 7 000 символов. Собрали их вместе так, чтобы получились кусочки в 24 000 символов, затем соединили их в 72 – х тысячные.
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.
Мы выращивали эти кусочки в больших количествах, так, чтобы мы могли соединять их в любом порядке потому что мы старались создать наиболее устойчивую систему. Вы увидите это через минуту. Мы пытаемся автоматизировать этот процесс. Выглядит это как баскетбольное соревнование. Когда куски становятся большими - больше 100 000 базовых пар - они больше не растут в бактерии E. coli. На сегодняшний день - это предел возможностей молекулярной биологии. Мы стали искать другие пути. Мы знали, что существует механизм, называемый гомологичная рекомбинация, который используется в биологии для починки ДНК, с его помощью можно сложить куски. Вот пример этого. Это организм, называемый Deinococcus radiodurans, который выдерживает облучение до 3 миллионов рентген.
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.
Как вы видите на верхней панели, его хромосомы фактически разлетаются в разные стороны. Через 12-24 часа он в том же состоянии, в котором был прежде. Есть тысячи организмов, способных на такое. Эти организмы можно полностью обезводить, они могут жить в вакууме. Я абсолютно уверен, что они могут жить в космосе, передвигаться, находить новые места для жизни, содержащие воду. В частности, NASA показала, что такого много.
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.
Вот реальная микрофотография молекулы, которую мы построили, используя эти процессы - в сущности, используя механизм одноклеточных грибов с правильно построенными кусочками, которые мы туда помещаем. Одноклеточный гриб автоматически соединяет эти кусочки. Это не электронная микрофотография; Это обычная микрофотография. Такую большую молекулу можно разглядеть в слабый микроскоп. А это фотографии с 6-секундным интервалом.
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.
Мы это опубликовали совсем недавно. Здесь более 580 000 символов генетического кода. Это самая большая молекула заданной структуры, когда-либо построенная человеком. Её молекулярная масса более 300 миллионов а. е. м. Если-бы мы распечатали её генетический код, используя фонт в 10 пиксел без пробелов, это заняло-бы 142 страницы! Только распечатать этот код. Как же нам "запустить", активизировать хромосому? Очевидно, довольно просто с помощью вируса. Гораздо труднее работать с бактериями. Проще также в случае с эукарио́тами, как мы с вами: можно просто вытащить ядро и заменить его другим, это как раз то, что делают при клонировании, о чем вы все, наверняка, слышали. У бактерии Археи — одноклеточный прокариот - хромосома является частью клетки, но мы недавно показали, что возможно пересадить хромосому из одной клетки в другую и затем активизировать её. Мы выделили хромосому из одного вида микробов. Грубо говоря, эти двое так-же далеки, как люди и мыши. Мы добавили несколько генов, чтобы мы могли выбрать эту хромосому. Мы разрушили её ферментами, чтобы убить все протеины. И мы были удивлены, когда поместив её в клетку, - вы безусловно оцените нашу сложную графику - новая хромосома стала частью клетки. В сущности, это уже неплохой результат, но мы решили пойти ещё дальше.
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.
Вот это главный механизм эволюции. Мы нашли разные организмы, в которые удалось добавить вторую хромосому, или третью хромосому, извне, создавая тысячи новых генетических комбинаций этих организмов каждую секунду. Поэтому, люди, которые думают, что эволюция означает изменение одного гена в определённый отрезок времени, недооценивают биологию.
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.
Есть ферменты, которые называются эндонуклеазы рестрикции, или рестриктазы, которые в сущности "переваривают" ДНК. Хромосома, которая прежде была в клетке, не имела его. А хромосома, которую мы внедрили в клетку - имеет. Этот фермент выделяется, распознаёт другие хромосомы как инородный материал, уничтожает его, и мы в результате получаем клетку только с новыми хромосомами. Она стала синей из-за генов, которые мы в неё поместили. И за очень короткий промежуток времени все характеристики данного вида были утеряны, и этот вид преобразовался в новый, согласно программе, которую мы заложили в клетку. Все протеины изменились, поменялись также и мембраны -- и когда мы прочитали генетический код, он оказался соответствующим нашей трансформации.
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.
Это может показаться генетической алхимией, но мы можем, путём программирования ДНК, сильно изменять порядок вещей. Я утверждаю, что это не генезис -- этому предшествовали три с половиной миллиарда лет эволюции, и я думаю, что мы, возможно, стоим на пороге создания нового Кембрийского взрыва, результатом которого будет создание огромного количества новых спроектированных видов.
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.
Зачем это делать? Я думаю, ответ вполне очевиден, если принять во внимание возрастающие потребности. За следующие 40 лет население увеличится с 6.5 до 9 миллиардов человек. Возьмём меня: я родился в 1946 году. В настоящее время, на каждого, родившегося до 1946 года, приходятся 3 человека, родившихся позже. Через 40 лет, отношение будет 1:4 Уже сейчас трудно накормить, обеспечить питьевой водой, лекарствами и топливом 6.5 миллиардов людей. Что уж говорить о 9 миллиардах. Мы используем более 5 миллиардов тонн угля, более 30 миллиардов баррелей нефти. Это 100 миллионов баррелей в день. Трудно даже представить себе биологические процессы или какие-то другие процессы, которые восстановили-бы все эти ресурсы. Кроме того, не нужно забывать про углекислый газ, который выбрасывается в атмосферу.
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.
На сегодняшний момент, мы имеем базу данных из 20 миллионов генов, и я их воспринимаю как строительный материал для будующих разработок. В электронной индустрии существует дюжина или что-то около того, подобных базовых компонентов однако посмотрите на разнообразие результатов. Мы пока ограничены биологической реальностью и нашим собственным воображением. Благодаря такому быстрому синтезу, теперь у нас в руках есть технологии позволяющие заниматься так называемой комбинаторной геномикой. Мы можем построить большого робота, который будет изготовлять миллионы хромосом в день. Представьте: обработать эти 20 миллионов генов, или оптимизировать процессы производства октана или фармацевтического производства, новых вакцин, наша маленькая команда может сделать больше в молекулярной биологии, чем вся наука за последние 20 лет. И это стандартные направления. Мы можем контролировать выживаемость организмов, производство химикатов или топлива, создание вакцин и.т.д.
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.
Это скриншот программного приложения, над которым мы работаем, и которое позволит проектировать новые виды с помощью компьютера. Мы не знаем, как эти новые виды будут выглядеть. Но что мы точно знаем - это их генетический код. Мы работаем над созданием топлива четвёртого поколения. Как вы знаете, недавние эксперименты по переработке кукурузы в этиловый спирт не дали хороших результатов. У нас есть топливо второго и третьего поколений, которое будет доступно довольно скоро. Оно получается посредством переработки сахара в более ценное топливо, такое как октан или бутанол.
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.
Однако мы думаем, что единственный путь, где с помощью биологии можно достичь максимального результата без дальнейшего увеличения себестоимости пищи и ограничения ресурсов -это переработка углекислого газа в топливо, над проектированием клеток для чего мы и работаем. Мы надеемся, таким образом, получить топливо четвёртого поколения примерно, через 18 месяцев. Солнечный свет и углекислый газ - это один из методов -- (Апплодисменты) -- но наши исследования по всему миру дают много других методов.
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.
Есть такой организм, мы его описывали в 1996 году, он живёт глубоко в океане, на глубине порядка полутора миль, почти при температуре кипения воды. Этот организм преобразует углекислый газ в метан, используя молекулярный водород в качестве источника энергии. Мы пытаемся понять, возможно-ли преобразовать собранный углекислый газ, который легко можно передавать по трубам, обратно в топливо, с помощью этого процесса.
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 --
Таким образом, мы надеемся, что в скором будующем, мы сможем ответить на основной вопрос "Что такое жизнь?" На самом деле, у нас очень скромные цели -- просто заменить всю нефте-перерабатывающую индустрию.
(Laughter) (Applause)
(Смех) (Апплодисменты)
Yeah. If you can't do that at TED, where can you? --
Где-же ещё можно это сделать, как не на TED'е?
(Laughter)
(Смех)
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.
Стать основным источником энергии. Мы также работаем над инструментами для немедленного производства вакцин. Вы, конечно, наблюдали ситуацию с гриппом в этом году нам, как всегда, не хватает времени и денег на нужные вакцины. я думаю, это можно исправить посредством построения комбинаторных вакцин в будующем. Так может выглядеть будующее если поменять эволюционное дерево сейчас, ускорить эволюцию с помощью синтетической бактерии Археи, а также, позже, и эукариотов. Мы ещё далеки от доработки людей. Наша цель - лишь сделать всё, что в наших силах, чтобы иметь шанс дожить до того времени, когда это будет возможно. Спасибо за внимание.
(Applause)
(Апплодисменты)