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)
Неколико људи ме је питало током паузе шта мислим о расправи о старењу. Имам само једно да кажем. А то је да ми је сасвим разумљиво да оптимисти живе знатно дуже од песимиста. (Смех)
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.
Оно што вам желим испричати током својих 18 минута јесте, да полако прелазимо са читања генетског кода на прве етапе започињања његовог самосталног исписивања. Управо је овог месеца само 10 година како смо објавили прву секвенцу једног слободноживећег организма, конкретно Haemophylus-а influenzae. При томе је потребно време за извођење геномског пројекта смањено са 13 година на четири месеца. Исти геномски пројекат је данас изводљив за отприлике два до осам часова. Дакле, током последње декаде, велики број генома је очитан: већина патогена људи, неколико биљака, одређени број инсеката и сисара, укључујући и геном човека. Према схватањима геномике од пре незнатно више од 10 година, сматрало се да ћемо до краја ове године можда имати три до пет секвенцираних генома; а данас је познато неколико стотина. Управо нам је Фондација Гордона и Бети Мур доделила средства за секвенцирање 130 генома током ове године из микроорганизама из животне средине у оквиру споредног пројекта. Значи, брзина очитавања генетског кода се променила.
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.
Мада, гледајући шта је још тамо напољу, видимо да смо само једва огребали површину онога што постоји на овој планети. Како су невидљиви, већина људи и не схвата да микроорганизми представљају половину биомасе Земљине кугле, док све животиње скупа покривају само око хиљадити део укупне биомасе. Штавише, мада људи у Оксфорду то вероватно ређе раде, доспете ли до мора, и прогутате ли гутљај морске воде, имајте на уму да сваки њен милилитар садржи око милион бактерија и приближно 10 милиона вируса.
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.
До пре две године је било описано мање од 5000 врста микроорганизама, те смо одлучили да урадимо нешто по том питању. Покренули смо експедицију Чаробњак II при чему смо, слично другим великим океанографским експедицијама, покушавали да узимамо узорке из океана на сваких 320 километара. Тест пројекат смо започели у Бермудима, затим смо се упутили у Халифакс, те доле низ источне обале САД, Карипско море, Панамски канал, до Галапагоса, па кроз Тихи океан, а тренутно прелазимо кроз Индијски океан. Ово је веома тежак задатак; све то обављамо на једрилици, делом да би анимирали младе да се баве науком. Експерименти су невероватно једноставни. Узмемо морску воду и процедимо је, па сакупљамо организме различите величине на засебним филтерима, затим њихов ДНК враћамо у своју лабораторију у Роквилу, где смо у могућности да секвенцирамо сто милиона слова генетског кода свака 24 часа. Радећи то, дошли смо до запањајућих открића.
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.
На пример, за видне пигменте, који се налазе у нашем оку, мислило се да их носи само неколико организама у животној средини. Испоставило се да скоро све врсте које настањују горњи део океана у топлим крајевима света поседују те исте фоторецепторе и користе сунчеву светлост као извор енергије и комуникације. Са једног места, из количине морске воде од једног бурета, открили смо 1,3 милиона нових гена и најмање 50 000 нових врста.
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.
Све ово смо проширили и на ваздух, овај пут уз финансијску подршку Фондације Слоун. Меримо колико вируса и бактерија сви ми свакодневно удишемо и издишемо, посебно на авионима и затвореним предаваоницама. (Смех) Филтрирањем помоћу простих уређаја сакупљамо око милијарду микроба само за један дан радећи на врху једне зграде у Њујорку. Тренутно је у току секвенцирање свега тога.
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.
Из аспекта сакупљања података, како прелазимо кроз Галапагос, налазимо да на скоро сваких 320 километара постоји огромна разноликост у узорцима из океана. За неке појаве постоји логично објашњење у смислу различитих температурних градијената. Овај сателитски снимак показује температуре - црвено је топло, плаво је хладно - и открили смо енормне разлике између узорака топлих и хладних вода у погледу обиља врста. Следећа ствар, која нас је прилично изненадила, је да ови фоторецептори детектују светлост различите таласне дужине, и да то може да се предвиди на основу њихове аминокиселинске секвенце. Ово показује страховиту променљивост од региона до региона Можда и није изненађујуће, да у дубини океана, где је углавном плаво, фоторецептори претежно виде плаву светлост. Кад је присутно пуно хлорофила у окружењу, они детектују зелену светлост. Њихова променљивост је, пак, још већа, са могућношћу померања према инфрацрвеном или ултраљубичастом у екстремним случајевима.
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.
Чисто да покушамо проценити своjу колекцију гена, сакупили смо све податке - укључујући и оне добијене у досадашњем току експедиције, што представља више од половине података о генима на планети, те смо укупно дошли до око 29 милиона гена. Пробали смо све то сврстати у генске фамилије, да би видели шта значе ова открића: јесмо ли нашли нове чланове познатих фамилија, или смо открили нове фамилије. Испоставило се да имамо око 50 000 главних генских фамилија, али узимањем сваког новог узорка из животне средине, број ових фамилија се линеарно повећава. Дакле, налазимо се у почетним фазама открића о основним генима, компонентама и животу на овој планети.
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.
Када посматрамо тзв. еволуционо стабло, налазимо се у горњем десном углу заједно са животињама. Од тог броја од грубо 29 милиона гена располажемо са само око 24 000 у свом геному. Упоређујући све животиње, делимо можда мање од 30 000, те можда десетак или мало више хиљада различитих генских фамилија. Према мом мишљењу, ови гени сад већ нису само градивне компоненте еволуције. Размишљамо генoцентично - можда полазећи од идеја Ричарда Докинса - а не геномоцентрично, што представља различите конструкције ових генских компоненти.
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?
Синтетичка ДНК, способност да се синтетише ДНК, мењала се сличним корацима као и секвенцирање ДНК током последње две деценије, и постала је веома брза и јефтина. Прва замисао о синтетичком геному наишла је кад смо секвенцирали други геном далеке 1995. године из Mycoplasma genitalium. Носили смо заиста лепе мајице тај дан, са натписом „Волим свој гениталијум“. То је у ствари један микроорганизам. Али поседује око 500 гена. Haemophilus је имао 1 800 гена. Просто смо се запитали, ако једној врсти треба 800, а другој 500, постоји ли нека мања гарнитура гена која би обухватила минимални оперативни систем?
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.
Тако смо кренули са транспозон мутагенезом. Транспозони су мали делови ДНК који се насумице уграђују у генетски код. Ако се то деси усред неког гена, то спречава његову функцију. Тако смо сачинили мапу свих генa који су подносили уграђивање транспозона и назвали их „неесенцијалним генима“. Ипак, видело се да је при томе окружење веома битан фактор, и могуће је одредити да ли је један ген есенцијалан или не управо само на основу тога шта је у његовом окружењу. Покушавали смо применити и директнији интелектуални приступ за упоређивање генома 13 сродних организама да бисмо видели шта је у њима заједничко. Добили смо ове кругове који се преклапају, а нашли смо само 173 гена заједничка за свих 13 организама. Број се мало повећао кад смо искључили једног интрацелуларног паразита; те се још више повећао кад смо испитали суштински сет гена од око 310. Сматрамо да можемо проширити или сажети геноме, зависно од становишта, на можда 300-400 гена са минималних 500.
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.
Једина могућност да докажемо ову замисао била је да се створи вештачки хромозом који садржи све те гене, а морали смо то направити према касетном моделу. Увидели смо да је прецизна синтеза ДНК у велике комаде крајње сложен задатак. Хем Смит и Клајд Хачисон, моје колеге при раду, развили су једну интересантну нову методу која нам је омогућила синтезу вируса са 5 000 базних парова за само две недеље, што је било 100% тачно из аспекта секвенце и биолошких особина. Био је то веома узбудљив експеримент - кад смо само узели комад синтетичке ДНК, убризгали је у бактерију, и одједном је та ДНК покренула производњу вирусних честица које су, затим, убијали бактерије. То није био први вештачки вирус -- полиовирус је направљен годину дана пре тога - али је био 10 000 пута мање активан, а синтеза је трајала 3 године Ово је цртеж структуре Фи Икс-174. То је случај када софтвер гради себи хардвер, и то су појмови које имамо из биологије.
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.
Људи се одмах брину због ратовања биолошким оружјем, ја сам и недавно био на саслушању испред одбора Сенатa и формиран је специјални одбор владе САД да размотри ову област. Мислим да је битно имати у виду реалност, у односу на то што се дешава у фантазији људи. У суштини, може да се направи геном било ког секвенцираног вируса. Људи одмах полуде због помисли на еболу или велике богиње, мада ДНК ових организама није инфективна. Значи, и да неко направи геном вируса великих богиња, та ДНК сама по себи не би изазвала инфекције. Органи државне безбедности се заиста брину због дизајнираних вируса. А постоје само две земље, САД и бивши Совјетски Савез које су улагале велики труд да би покушали створити биолошке агенсе за војне сврхе. Ако су ова истраживања заиста прекинута, требало би да буде веома мало активности у погледу сазнања о стварању дизајнираних вируса у будућности.
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.
Мислим да ће једноћелијски организми бити могући за две године. А еукариотске ћелије, које и ми поседујемо, су можда могуће за десет година. Значи, ми тренутно правимо неколико десетина различитих конструкција јер смо у могућности да мењамо касете и гене који улазе у овај вештачки хромозом. Кључно питање је како додати све остало? Крећемо са овим фрагментима, па добијамо један хомологни рекомбинациони систем, који их послаже у хромозом.
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.
То потиче из једног микроорганизма, Deinococcus radiodurans, који може да преживи радијацију од 3 милиона рада. Он поново слаже свој геном после сваког излагања таквом зрачењу за око 12 до 24 часова, након што су му хромозоми били буквално разнети. Овај организам је свеприсутан на планети, а сад већ можда постоји и у свемиру, захваљујући свим нашим путовањима тамо. Ово је стаклена чаша након зрачења од око пола милиона рада. Стакло је почело да гори и пуца, док су микроби који су се налазили на дну све више уживали. Ево слике онога шта се заправо дешава: горњи део показује геном након озрачења са 1,7 милиона рада. Хромозом је буквално експлодирао. А ово је та иста ДНК изнова аутоматски састављена 24 часа касније. Заиста је задивљујуће да ови организми могу то да ураде, а вероватно постоје хиљаде, ако не десетине хиљада различитих врста на овој планети које су способне за то. Након што су синтетизовани геноми, први корак је њихово премештање у ћелију без генома.
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.
Према томе, мислимо да синтетичне ћелије ће представљати огроман потенцијал, не само у разумевању основе биологије, већ, надамо се, и у питањима заштите животне средине и друштва. На пример, трећи организам који смо секвенцирали, Methanococcus jannaschii - живи на температури кључале воде; извор енергије му је водоник, а целокупан садржај угљеника потиче из CO2 везаног из околине. Познато нам је много разлучитих начина, хиљаде различитих организама који живе на CO2, и могу да га везују. Уместо употребе угљеника из нафте за потребе синтезе, имамо могућност да везујемо и користимо угљеник из атмосфере, претварајући га у биополимере и друге производе. Имамо једног организма, који живи на угљен моноксиду, те користимо његову редукујућу моћ да цепамо воду на водоник и кисеоник. Такође, постоје бројни начини да се развије технологија прераде метана помоћу метаболизма. DuPont заједно са Statoil-ом из Норвешке изводи један већи програм да метан пореклом са гасних поља везују и прерађују у корисне производе.
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.
Развиће се за кратко време нова област звана Комбинаторијска геномика, јер са овим новим могућностима синтезе, са огромним репертоарима сетова гена и са хомологном рекомбинацијом, мислимо да ћемо моћи да направимо робота који би направио милион различитих хромозома дневно. Ппрема томе, како то бива у биологији, одабирањем долазимо до селекције, било да се тражи производња водоника, производња хемикалија, или чисто одрживост. Могућност разумевања функције ових гена ће бити обезбеђена.
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.
Покушавамо да изменимо фотосинтезу тако да производимо водоник помоћу енергије сунчеве светлости Фотосинтезу регулише кисеоник, а ми имамо једну хидрогеназу која није осетљива на кисеоник, и мислимо да ће она потпуно изменити овај процес. Такође комбинујемо целулазе, ензиме које разграђују комплексне шећере у једноставне, и врше њихову ферментацију у истој ћелији и производе етанол. Производња помоћу микроба за фармацеутске сврхе је у току у важнијим лабораторијама. Хемијски састав животне средине је са редовима величине комплекснијим од онога што наши најбољи хемичари могу да створе. Мислим да врсте пројектиране у будућности ће обезбедити храну, извор енергије, санирање животне средине и можда ће заменити петрохемијску индустрију.
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.
Дозволите ми да на крају изнесем етичка и политичка истраживања. 1999. године смо чекали са покретањем својих експеримената док нисмо завршили биоетичко истраживање од годину и по дана да одредимо да ли треба да покушамо да правимо вештачке врсте. Свака већа религија је учествовала у томе. То је било веома чудно истраживање. јер вође сваке религије су користиле своје свете списе попут законика, и нису могли наћи ништа што би забранило стварање живота, те све то мора бити у реду. Једина коначна забринутост односила се на могућност примене у сврхе биолошког рата, али су нам дали зелено светло да започињемо експерименте због разлога због којих смо их изводили.
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.
Фондација Sloan управо је одобрила средства за једно мултиинституционално истраживање на ову тему, да одреде који друштвени ризици и користи постоје, те правила којима се научни тимови, као што је и мој, треба да придржавају у овој области, а ми трудимо се да показујемо добар пример како напредујемо. Ови су сложени проблеми. Изузев опасности од биотероризма, постоје веома једноставна питања у смислу да ли можемо да производимо чисту енергију, можда револуционарно измењујући оно што земље у развоју могу урадити и обезбедити помоћу различитих простих процеса. Много вам хвала.