At the break, I was asked by several people about my comments about the aging debate. And this will be my only comment on it. And that is, I understand that optimists greatly outlive pessimists. (Laughter)
休憩中に何人かの方に 老化の議論について コメントを求められました 私から言えるのは 楽天家は 悲観者より 長生きするという事くらいです(笑)
What I'm going to tell you about in my 18 minutes is how we're about to switch from reading the genetic code to the first stages of beginning to write the code ourselves. It's only 10 years ago this month when we published the first sequence of a free-living organism, that of haemophilus influenzae. That took a genome project from 13 years down to four months. We can now do that same genome project in the order of two to eight hours. So in the last decade, a large number of genomes have been added: most human pathogens, a couple of plants, several insects and several mammals, including the human genome. Genomics at this stage of the thinking from a little over 10 years ago was, by the end of this year, we might have between three and five genomes sequenced; it's on the order of several hundred. We just got a grant from the Gordon and Betty Moore Foundation to sequence 130 genomes this year, as a side project from environmental organisms. So the rate of reading the genetic code has changed.
これからお話しする18分間は 我々が 遺伝子コードを解読する段階から 新しく遺伝子コードを書き出す段階になったことについて お話ししたいと思います 独立した生物 ヘモフィルス インフルエンザ菌の 最初の遺伝子配列を発表したのが ちょうど10年前のこの月です これはヒューマンジノムプロジェクトを 13年から4ヶ月へ短縮させるような技術でした 今なら同様のヒューマンジノムプロジェクトを 2~8時間で 完了できます 過去10年間で ヒトジノムを含め ヒトの病原体のほとんど いくつかの植物 昆虫 哺乳類のジノムが 解読されました 10年前の研究スピードから考えると 遺伝子解読は 今年の暮れまでに 3〜5のジノム解読を修了しているはずでしたが それが実際には数百になりました それが実際には数百になりました ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団から 環境生物研究として今年中に130のジノムの 遺伝子配列を決定する研究費を獲得しました 遺伝子解読のスピードは加速していますが
But as we look, what's out there, we've barely scratched the surface on what is available on this planet. Most people don't realize it, because they're invisible, but microbes make up about a half of the Earth's biomass, whereas all animals only make up about one one-thousandth of all the biomass. And maybe it's something that people in Oxford don't do very often, but if you ever make it to the sea, and you swallow a mouthful of seawater, keep in mind that each milliliter has about a million bacteria and on the order of 10 million viruses.
見てみますと まだ地球上に存在する生物の 表面をかすっただけです 目に見えないため 気づかれませんが 微生物は地球上のバイオマスのおよそ半分を占めており 動物は全バイオマスの たった千分の一です オックスフォードの方々は こんなことはしないかもしれませんが 海水を一口飲んだら その1ml当りに100万のバクテリアと 1000万のウイルスが いる事を覚えておいてください
Less than 5,000 microbial species have been characterized as of two years ago, and so we decided to do something about it. And we started the Sorcerer II Expedition, where we were, as with great oceanographic expeditions, trying to sample the ocean every 200 miles. We started in Bermuda for our test project, then moved up to Halifax, working down the U.S. East Coast, the Caribbean Sea, the Panama Canal, through to the Galapagos, then across the Pacific, and we're in the process now of working our way across the Indian Ocean. It's very tough duty; we're doing this on a sailing vessel, in part to help excite young people about going into science. The experiments are incredibly simple. We just take seawater and we filter it, and we collect different size organisms on different filters, and then take their DNA back to our lab in Rockville, where we can sequence a hundred million letters of the genetic code every 24 hours. And with doing this, we've made some amazing discoveries.
2年前までに 同定されている微生物は 5,000以下でした そこでわれわれは何かしようと決意し 「ソーサラー2探検」をはじめました これは320 kmごとにサンプリングを行う 壮大な海洋探検旅行です テスト航海としてバミューダからはじめ ハリファックスへと北上し アメリカ東海岸を南下して カリブ海 パナマ運河 ガラパゴスを抜けて 太平洋へ出ました インド洋をわたり 現在も航海を続けています 大変な任務ですが 若い人々が科学に興味を持てるよう 帆船を使います 実験はいたって簡単 海水を汲み取り フィルターのサイズごとに 生物を集めます 次に 24時間に1億塩基の遺伝子コードを読める ロックビルの研究室に DNAを送ります すでにいくつかの びっくりするような発見をしました
For example, it was thought that the visual pigments that are in our eyes -- there was only one or two organisms in the environment that had these same pigments. It turns out, almost every species in the upper parts of the ocean in warm parts of the world have these same photoreceptors, and use sunlight as the source of their energy and communication. From one site, from one barrel of seawater, we discovered 1.3 million new genes and as many as 50,000 new species.
たとえば われわれの目にある視色素は 環境にいる生物では一 二種類が 同じ色素を持っているだけです 温帯の海の 上部にいる ほとんどの生物が 同じ光レセプターを持ち 日光をエネルギー源として使い コミュニケーションに使っています ある所では 160リットルの海水から 130万の新しい遺伝子と 5万にも及ぶ新種の生物を見つけました
We've extended this to the air now with a grant from the Sloan Foundation. We're measuring how many viruses and bacteria all of us are breathing in and out every day, particularly on airplanes or closed auditoriums. (Laughter) We filter through some simple apparatuses; we collect on the order of a billion microbes from just a day filtering on top of a building in New York City. And we're in the process of sequencing all that at the present time.
同じように空中の生物を探索するために スローン財団から研究費を獲得しました 何種類のウィルスや細菌を 毎日呼吸しているか数えます 特に飛行機の中や 閉ざされたた講堂の中で (笑) 簡単な装置を使ってフィルターし たった一日で10億もの微生物を集め ニューヨークのビルディングの上でもサンプルを集めます 今そのサンプル全部の 塩基配列決定をしています
Just on the data collection side, just where we are through the Galapagos, we're finding that almost every 200 miles, we see tremendous diversity in the samples in the ocean. Some of these make logical sense, in terms of different temperature gradients. So this is a satellite photograph based on temperatures -- red being warm, blue being cold -- and we found there's a tremendous difference between the warm water samples and the cold water samples, in terms of abundant species. The other thing that surprised us quite a bit is these photoreceptors detect different wavelengths of light, and we can predict that based on their amino acid sequence. And these vary tremendously from region to region. Maybe not surprisingly, in the deep ocean, where it's mostly blue, the photoreceptors tend to see blue light. When there's a lot of chlorophyll around, they see a lot of green light. But they vary even more, possibly moving towards infrared and ultraviolet in the extremes.
データ収集場所からいうと ちょうどガラパゴス諸島を通過したところです 320 kmごとの 海水サンプルに とてつもない多様性を見つけています いくつかは論理に合います 海水には温度差がありますから これは衛星写真で 海の温度を示しています 赤が高温で 青が低温です 暖水域のサンプルと 冷水域のサンプルの間には 種の豊富さについて大きな違いがあります もう一つ私たちを驚かせたのは 光レセプターが違った波長の光を感知することです アミノ酸配列を見ればそれがわかります これは海域によっても大きく異なります 驚くことではありませんが 深海では光はほとんど青色なので 光レセプターは青色を感知します クロロフィルが周囲にたくさんあるときには 緑色の光をよく感知します 感知する光の色は 極端な場合 紫外光から赤外光まで広い範囲に及びます
Just to try and get an assessment of what our gene repertoire was, we assembled all the data -- including all of ours thus far from the expedition, which represents more than half of all the gene data on the planet -- and it totaled around 29 million genes. And we tried to put these into gene families to see what these discoveries are: Are we just discovering new members of known families, or are we discovering new families? And it turns out we have about 50,000 major gene families, but every new sample we take in the environment adds in a linear fashion to these new families. So we're at the earliest stages of discovery about basic genes, components and life on this planet.
これまでに集めた遺伝子の レパートリーを評価するために データをまとめてみました 今回の探検で得られた全ての遺伝子は 地球上の遺伝子データの半分以上になりますが 約2900万遺伝子です 同系の遺伝子ごとにまとめ 発見がどんなものか― 同じ科に属する新しい種か それとも新しい科か 調べてみたのです するとなんと5万もの 独立した科が見つかっており 新しい場所でサンプルを採取すると また新しい科が見つかります ですから私たちはまだ基本的遺伝子や 遺伝子の構成要素といった 地球上の生命 の発見段階の初めにいると言えるでしょう
When we look at the so-called evolutionary tree, we're up on the upper right-hand corner with the animals. Of those roughly 29 million genes, we only have around 24,000 in our genome. And if you take all animals together, we probably share less than 30,000 and probably maybe a dozen or more thousand different gene families. I view that these genes are now not only the design components of evolution. And we think in a gene-centric view -- maybe going back to Richard Dawkins' ideas -- than in a genome-centric view, which are different constructs of these gene components.
いわゆる系統樹を見ますと 人間はほかの動物と共に右上にいます これまで発見された2900万と比較して 人間のジノムは たった24000の遺伝子からできています 動物の遺伝子全部を合わせても 30,000以下でしょう たぶん 1万数千の遺伝子ファミリーです わたしはこれらの遺伝子について 進化を方向付ける要素と 言うだけではないと思っています 多分リチャード ドーキンスの考え方に始まり -- ジノム中心的な見方ではなく 我々は遺伝子中心的な見方をしています -- ジノムは遺伝子の違った組み合わせでできているわけです
Synthetic DNA, the ability to synthesize DNA, has changed at sort of the same pace that DNA sequencing has over the last decade or two, and is getting very rapid and very cheap. Our first thought about synthetic genomics came when we sequenced the second genome back in 1995, and that from mycoplasma genitalium. And we have really nice T-shirts that say, you know, "I heart my genitalium." This is actually just a microorganism. But it has roughly 500 genes. Haemophilus had 1,800 genes. And we simply asked the question, if one species needs 800, another 500, is there a smaller set of genes that might comprise a minimal operating system?
ここ10年から20年にかけて DNAを人工合成する技術は DNA配列を決定する技術と ほぼ同じ速さで進歩し 高速で安価になりました 人工ジノムを作ってみようと思ったのは 1995年に二つ目のジノムの塩基配列 mycoplasma genitaliumの塩基配列を 決定している時でした かっこいいTシャツも作りました 「アイ♡私の性器(細菌の名前)」 と書いてあります これはただの微生物ですが 約500の遺伝子を持っています ヘモフィルスは1,800です 一つの生物には800の遺伝子が必要 ほかの生物では500 だったら一つの生物をつくるのに 最低いくつの遺伝子が必要なんだろう と考えました
So we started doing transposon mutagenesis. Transposons are just small pieces of DNA that randomly insert in the genetic code. And if they insert in the middle of the gene, they disrupt its function. So we made a map of all the genes that could take transposon insertions and we called those "non-essential genes." But it turns out the environment is very critical for this, and you can only define an essential or non-essential gene based on exactly what's in the environment. We also tried to take a more directly intellectual approach with the genomes of 13 related organisms, and we tried to compare all of those, to see what they had in common. And we got these overlapping circles. And we found only 173 genes common to all 13 organisms. The pool expanded a little bit if we ignored one intracellular parasite; it expanded even more when we looked at core sets of genes of around 310 or so. So we think that we can expand or contract genomes, depending on your point of view here, to maybe 300 to 400 genes from the minimal of 500.
そこでトランスポゾンを使った実験を始めました トランスポゾンは小さなDNAの断片で 遺伝子中にランダムに挿入されます 遺伝子に挿入されればその遺伝子の機能はなくなります それを使ってトランスポゾンが挿入されても 機能を続けるすべての遺伝子の地図を作り 「非必須遺伝子」と名付けました しかし生物が生きるには 環境条件が非常に重要で 「必須」「非必須」遺伝子は その生物がどのような環境にいるかによって どちらかに変わることが分かりました 13の類似した生物のジノムを使って もっと知的な方法も試しました これらに共通な遺伝子を探すと 13の生物全てに共通であったのは たった173の遺伝子でした ある細胞内寄生微生物を除外すると 共通遺伝子の数は少し増えます 重要な働きを持つ遺伝子を加えると さらに増えて 310ほどになりました 考え方次第で 共通遺伝子の数は増減しますが 自然の生物は最低遺伝子を500持っていますから 「必須」遺伝子の数は300から400遺伝子の間でしょう
The only way to prove these ideas was to construct an artificial chromosome with those genes in them, and we had to do this in a cassette-based fashion. We found that synthesizing accurate DNA in large pieces was extremely difficult. Ham Smith and Clyde Hutchison, my colleagues on this, developed an exciting new method that allowed us to synthesize a 5,000-base pair virus in only a two-week period that was 100 percent accurate, in terms of its sequence and its biology. It was a quite exciting experiment -- when we just took the synthetic piece of DNA, injected it in the bacteria and all of a sudden, that DNA started driving the production of the virus particles that turned around and then killed the bacteria. This was not the first synthetic virus -- a polio virus had been made a year before -- but it was only one ten-thousandth as active and it took three years to do. This is a cartoon of the structure of phi X 174. This is a case where the software now builds its own hardware, and that's the notions that we have with biology.
これを実際に証明するには このジノムを使ってカセット方式で これらの遺伝子を含む 人工染色体を作ることです 正確な配列の大きなDNA断片を作ることは 大変難しいことだと分かりました 私の同僚のハム・スミスとクライド・ハッチソンが 画期的な新しい方法を編み出しました それで5000塩基対のウィルスを 2週間で合成できます それで5000塩基対のウィルスを 2週間で合成できます しかもその塩基配列と生物学的性質は 100パーセント正確です 興奮するような実験でした -- 人工合成したDNAを 細菌に注入するとすぐに DNAはウィルス粒子を作り始めました やがてそのウイルスは 細菌を殺しました これは初めての人工ウィルスではありませんでした -- ポリオウィルスが一年前に合成されていました -- しかしその活性は1万分の1しかなく 合成に3年もかかりました これはウィルスphi X 174の構造図です これはソフトウェアから ハードウェアが作られる例で まさに生物学の概念です
People immediately jump to concerns about biological warfare, and I had recent testimony before a Senate committee, and a special committee the U.S. government has set up to review this area. And I think it's important to keep reality in mind, versus what happens with people's imaginations. Basically, any virus that's been sequenced today -- that genome can be made. And people immediately freak out about things about Ebola or smallpox, but the DNA from this organism is not infective. So even if somebody made the smallpox genome, that DNA itself would not cause infections. The real concern that security departments have is designer viruses. And there's only two countries, the U.S. and the former Soviet Union, that had major efforts on trying to create biological warfare agents. If that research is truly discontinued, there should be very little activity on the know-how to make designer viruses in the future.
人々は生物兵器にすぐ結びつけるもので 最近わたしは上院の公聴会で訊問されました アメリカ政府ではこの分野を調査する 特別委員会を設けました 重要なのは現実的であることで 空想とは区別する必要があります これまでに塩基配列が決定されたどのウィルスからでも ジノムを作ることが可能です エボラ熱や天然痘のことを聞くと 人々は卒倒しそうになりますが これらのウィルスのDNA自体に感染力はありません だれかが天然痘のジノムを作ったとしても DNA自体は感染力を持ちません 公安の関係者が本当に心配するのは デザイナー・ウイルスです 世界で二か国だけ アメリカと前ソ連が 生物兵器を 作ろうとしました もしそこで研究が本当に中止されたのであれば 将来にわたっても 新しくデザイナー・ウィルスを 作る方法は開発されないでしょう
I think single-cell organisms are possible within two years. And possibly eukaryotic cells, those that we have, are possible within a decade. So we're now making several dozen different constructs, because we can vary the cassettes and the genes that go into this artificial chromosome. The key is, how do you put all of the others? We start with these fragments, and then we have a homologous recombination system that reassembles those into a chromosome.
人工単細胞生物は二年以内に作成可能になると思います 私たちが持っているような 真核細胞を作ることは 10年以内に可能になると思います 私たちは今数十個の遺伝子断片を作っています これらを使ってカセットや遺伝子を作り 人工染色体を作ります 鍵となるのは これら全部をどうやって詰め込むかです DNA断片から初めて これを相同的組み換えのシステムを使い 染色体として並び替えるのです この組み換えシステムは デイノコッカス・ラディオデュランス
This is derived from an organism, deinococcus radiodurans, that can take three million rads of radiation and not be killed. It reassembles its genome after this radiation burst in about 12 to 24 hours, after its chromosomes are literally blown apart. This organism is ubiquitous on the planet, and exists perhaps now in outer space due to all our travel there. This is a glass beaker after about half a million rads of radiation. The glass started to burn and crack, while the microbes sitting in the bottom just got happier and happier. Here's an actual picture of what happens: the top of this shows the genome after 1.7 million rads of radiation. The chromosome is literally blown apart. And here's that same DNA automatically reassembled 24 hours later. It's truly stunning that these organisms can do that, and we probably have thousands, if not tens of thousands, of different species on this planet that are capable of doing that. After these genomes are synthesized, the first step is just transplanting them into a cell without a genome.
と呼ばれる細菌に由来するものです この細菌は300万ラドの放射能を受けても死にません 大量の放射線を受けると12から24時間以内に 文字通り染色体がバラバラになった後で ジノムの再編成を始めます この細菌は地球上のどこにでもいて われわれがすでに宇宙旅行をしたので 宇宙にも広がっているかもしれません これは約50万ラドの放射線を あてた後のガラスビーカーです ガラスですら熱せられひびが入りましたが この細菌は 底で幸福にしています この写真が実際に起こったことです 上の方にあるのが170万ラッドの放射線を 照射後のジノムでです 染色体は文字通りバラバラになりました これが24時間後に同じDNAが 自動的に再構成したところです この細菌の能力には本当にびっくりします 地球上には数千種類の 同じようなことのできる 細菌がいます このようにジノムができたら 最初に試すことは ジノムを持たない細胞に移植してみることです
So we think synthetic cells are going to have tremendous potential, not only for understanding the basis of biology but for hopefully environmental and society issues. For example, from the third organism we sequenced, Methanococcus jannaschii -- it lives in boiling water temperatures; its energy source is hydrogen and all its carbon comes from CO2 it captures back from the environment. So we know lots of different pathways, thousands of different organisms now that live off of CO2, and can capture that back. So instead of using carbon from oil for synthetic processes, we have the chance of using carbon and capturing it back from the atmosphere, converting that into biopolymers or other products. We have one organism that lives off of carbon monoxide, and we use as a reducing power to split water to produce hydrogen and oxygen. Also, there's numerous pathways that can be engineered metabolizing methane. And DuPont has a major program with Statoil in Norway to capture and convert the methane from the gas fields there into useful products.
このように人工細胞を作ることは 基本的な生物学を理解することだけでなく 環境や社会問題を理解するのに大きな可能性を持っていると思います たとえば 3番目に塩基配列を決定した メタノカルドコックス・ヤンナスキイ という沸騰水中に住む細菌は 水素をエネルギー源に使い 環境中のCO2から炭素を手に入れます こういった異なる代謝経路を持つ 数千もの生物が CO2を使って生存し 環境からCO2を捕捉することが出来ます 有機合成のために 石油からの炭素を使わずに 大気中の炭素を捕捉して 使い 生物ポリマーや 他の製品を作ることが可能です 一酸化炭素を利用できる生物もあります これを還元物質として使い 水を酸素と水素に分解します 別の代謝経路を使って メタンガスを代謝するよう設計することも可能です デュポンはノルウェーのスタトイルと共同で ガス田からのメタンガスを捕捉し 役立つ製品を作る大型プロジェクトを持っています
Within a short while, I think there's going to be a new field called "Combinatorial Genomics," because with these new synthesis capabilities, these vast gene array repertoires and the homologous recombination, we think we can design a robot to make maybe a million different chromosomes a day. And therefore, as with all biology, you get selection through screening, whether you're screening for hydrogen production, or chemical production, or just viability. To understand the role of these genes is going to be well within reach.
近い将来「組み合わせジノム学」とよばれるような 新しい分野ができるかも知れません これらの新しい合成技術を使って 種々の遺伝子配列と 相同的組み換え技術を使えば 一日に百万種類もの染色体を 作れるロボットを設計することが可能でしょう すべての生物現象と同じように スクリーニングによって選択を行い 水素生産や化学合成 または単に生存力を 指標にスクリーニングを行います これらの遺伝子の役割を理解することは 十分可能です
We're trying to modify photosynthesis to produce hydrogen directly from sunlight. Photosynthesis is modulated by oxygen, and we have an oxygen-insensitive hydrogenase that we think will totally change this process. We're also combining cellulases, the enzymes that break down complex sugars into simple sugars and fermentation in the same cell for producing ethanol. Pharmaceutical production is already under way in major laboratories using microbes. The chemistry from compounds in the environment is orders of magnitude more complex than our best chemists can produce. I think future engineered species could be the source of food, hopefully a source of energy, environmental remediation and perhaps replacing the petrochemical industry.
私達は現在 光合成を改良して 太陽光から直接水素を作ろうとしています 光合成は酸素により調節されますが 酸素非感受性のハイドロジネースもあり これは化学反応過程をすっかり変えてしまう可能性があります セルロースを単糖に分解する セルロース分解酵素を 同じ細胞の中で発酵反応と組み合わせて エタノールを作ります 細菌を使った 製薬はすでに 主な研究室で行われています 環境中にある化合物は 化学者が作れる物質よりはるかに複雑ですが 化学者が作れる物質よりはるかに複雑ですが 将来の人工生物は 食糧にもなるし エネルギー源にも 環境の回復 そして 石油工業の代替となると考えています
Let me just close with ethical and policy studies. We delayed the start of our experiments in 1999 until we completed a year-and-a-half bioethical review as to whether we should try and make an artificial species. Every major religion participated in this. It was actually a very strange study, because the various religious leaders were using their scriptures as law books, and they couldn't find anything in them prohibiting making life, so it must be OK. The only ultimate concerns were biological warfare aspects of this, but gave us the go ahead to start these experiments for the reasons we were doing them.
最後に倫理的な 政策研究について述べて 締めくくります 1999年にわれわれは1年半にわたる生命倫理審査が終わるまで 人工生物を作る試みを 遅らせました すべての主要な宗教が参加しました とても変った審査でした 宗教の指導者たちは自分たちの経典を 法律書と見做していましたが 生命を作ることを禁ずる項目が見つからなかったので 問題はないだろうと考えられ 生物学兵器に利用されるのでは という心配はありましたが 私たちが掲げた実験の目的にてらして 実験開始を許可するとの 結論に至りました
Right now the Sloan Foundation has just funded a multi-institutional study on this, to work out what the risk and benefits to society are, and the rules that scientific teams such as my own should be using in this area, and we're trying to set good examples as we go forward. These are complex issues. Except for the threat of bio-terrorism, they're very simple issues in terms of, can we design things to produce clean energy, perhaps revolutionizing what developing countries can do and provide through various simple processes. Thank you very much.
さて スローン財団がこの課題に関する 複数研究機関の協同研究に 研究費を出資したところです 社会にとってこのような研究の持つ危険と利益を調査し 我々のような研究チームがこの分野で 守るべき規則を作るためです 私たちは研究を進めるにあたって 模範となることを心がけています これらの問題は複雑ですが バイオテロリズムの恐れを除外すると クリーンエネルギーを作る方法を設計したり 発展途上国が 驚異的に発展できるように シンプルな方法を提供するという意味では 問題は単純です (拍手)