Ще ви разкажа за създаването на синтетични клетки и печатането на живот. Но първо нека ви разкажа една кратка история. На 31 март 2013 г. аз и екипът ми получихме имейл от международна здравна организация, която предупреждаваше, че двама души са починали в Китай веднага след като са се заразили с вируса на птичия грип H7N9. Имаше страхове от глобална пандемия, след като вирусът започна бързо да се разпространява в Китай. Въпреки че имаше методи за създаване на ваксина срещу грипа и спиране на разпространението на болестта, щяха да минат поне шест месеца преди ваксината да е готова. Така е, защото единствената възможност е бавен, остарял производствен процес на ваксината, създаден преди повече от 70 години.
Alright, let me tell you about building synthetic cells and printing life. But first, let me tell you a quick story. On March 31, 2013, my team and I received an email from an international health organization, alerting us that two men died in China shortly after contracting the H7N9 bird flu. There were fears of a global pandemic as the virus started rapidly moving across China. Although methods existed to produce a flu vaccine and stop the disease from spreading, at best, it would not be available for at least six months. This is because a slow, antiquated flu vaccine manufacturing process developed over 70 years ago was the only option.
Вирусът щеше да бъде изолиран от заразените пациенти, опакован и изпратен до апаратура, където учените щяха да го инжектират в кокоши яйца и да държат тези яйца в инкубатор няколко седмици, за да подготвят вируса за започването на многостепенен производствен процес на противогрипна ваксина, който трае месеци. Аз и екипът ми получихме този имейл, защото току-що бяхме изобретили биологичен принтер, който би позволил указанията за противогрипната ваксина да бъдат свалени веднага от интернет и отпечатани, ускорявайки значително производството на ваксини срещу грип и потенциално спасявайки хиляди животи.
The virus would need to be isolated from infected patients, packaged up and then sent to a facility where scientists would inject the virus into chicken eggs, and incubate those chicken eggs for several weeks in order to prepare the virus for the start of a multistep, multimonth flu vaccine manufacturing process. My team and I received this email because we had just invented a biological printer, which would allow for the flu vaccine instructions to be instantly downloaded from the internet and printed. Drastically speeding up the way in which flu vaccines are made, and potentially saving thousands of lives.
Биологичният принтер оптимизира способността ни да разчитаме и пишем ДНК и привлича вниманието към това, което ни харесва да наричаме биологична телепортация. Аз съм биолог и инженер, който прави разни неща от ДНК. Вярвате или не, едно от любимите ми занимания е да "разглобя" ДНК и после отново да я "сглобя", за да разбера по-добре как работи. Мога да редактирам и програмирам ДНК за разни неща точно като програмист. Но приложенията ми са различни. Те създават живот. Самовъзпроизвеждащи се живи клетки, ваксини и лекарства, работещи по начини, които са били невъзможни преди.
The biological printer leverages our ability to read and write DNA and starts to bring into focus what we like to call biological teleportation. I am a biologist and an engineer who builds stuff out of DNA. Believe it or not, one of my favorite things to do is to take DNA apart and put it back together so that I can understand better how it works. I can edit and program DNA to do things, just like coders programing a computer. But my apps are different. They create life. Self-replicating living cells and things like vaccines and therapeutics that work in ways that were previously impossible.
Това са носителят на Националния научен медал Крейг Вентър и Нобеловият лауреат Хам Смит. Тези двама учени имали сходни възгледи. А именно, че щом всички функции и характеристики на всички биологични единици, включително вирусите и живите клетки, са записани в кода на ДНК, ако можем да четем и пишем този ДНК код, те могат да бъдат възпроизведени на друго място. Това имаме предвид под биологична телепортация. За да докажат правотата си, Крейг и Хам си поставили за цел да създадат първата синтетична клетка, водеща началото си от ДНК код в компютъра. Така де, ако сте учен, който търси работа и прави иновативни проучвания, не може да ви стане по-хубаво.
Here's National Medal of Science recipient Craig Venter and Nobel laureate Ham Smith. These two guys shared a similar vision. That vision was, because all of the functions and characteristics of all biological entities, including viruses and living cells, are written into the code of DNA, if one can read and write that code of DNA, then they can be reconstructed in a distant location. This is what we mean by biological teleportation. To prove out this vision, Craig and Ham set a goal of creating, for the first time, a synthetic cell, starting from DNA code in the computer. I mean, come on, as a scientist looking for a job, doing cutting-edge research, it doesn't get any better than this.
(Смях)
(Laughter)
Добре, геном е пълният комплект ДНК в един организъм. След Проекта за човешкия геном през 2003, който беше международeн опит да се установи пълния генетичен модел на едно човешко същество, избухна революция в геномиката. Учените започнаха да овладяват техниките за разчитане на ДНК, за да определят реда на А, Ц, Т и Г в един организъм. Моята работа бе съвсем различна. Аз трябваше да овладея техниките за писане на ДНК. Подобно на автор на книга започнах с писане на кратки изречения или последователности ДНК код, но скоро започнах да пиша параграфи, а после цели романи с ДНК код, за да дам важни биологични инструкции на протеините и живите клетки. Живите клетки са най-ефективните машини на природата за нови продукти, на тях се дължи производството на 25 процента от целия фармацевтичен пазар, а това са милиарди долари.
OK, a genome is a complete set of DNA within an organism. Following the Human Genome Project in 2003, which was an international effort to identify the complete genetic blueprint of a human being, a genomics revolution happened. Scientists started mastering the techniques for reading DNA. In order to determine the order of the As, Cs, Ts and Gs within an organism. But my job was far different. I needed to master the techniques for writing DNA. Like an author of a book, this started out as writing short sentences, or sequences of DNA code, but this soon turned into writing paragraphs and then full-on novels of DNA code, to make important biological instructions for proteins and living cells. Living cells are nature's most efficient machines at making new products, accounting for the production of 25 percent of the total pharmaceutical market, which is billions of dollars.
Знаехме, че писането на ДНК ще насърчи биоикономиката още повече, щом веднъж клетките могат да се програмират като компютри. И че писането на ДНК ще направи биологичната телепортация възможна... отпечатването на дефиниран биологичен материал като се започне от ДНК код. Като стъпка към осъществяването на тези обещания, екипът ни се зае да създаде за пръв път синтетична бактериална клетка с начало ДНК код в компютъра. Синтетичната ДНК е стока. Можете да си поръчате много къси парченца ДНК от множество компании и те ще започнат от четирите бутилки с химикали, които изграждат ДНК, Г, А, Т и Ц и ще ви създадат такива много къси парченца ДНК.
We knew that writing DNA would drive this bioeconomy even more, once cells could be programmed just like computers. We also knew that writing DNA would enable biological teleportation ... the printing of defined, biological material, starting from DNA code. As a step toward bringing these promises to fruition, our team set out to create, for the first time, a synthetic bacterial cell, starting from DNA code in the computer. Synthetic DNA is a commodity. You can order very short pieces of DNA from a number of companies, and they will start from these four bottles of chemicals that make up DNA, G, A, T and C, and they will build those very short pieces of DNA for you.
През последните 15 години екипите ми разработваха технологията за зашиване на тези къси парченца ДНК едно към друго в завършени бактериални геноми. Най-големият геном, който създадохме, съдържаше над един милион букви. Това е повече от два пъти средната дължина на роман и трябваше да сложим всяка буква във вярната последователност без нито една грешка. Успяхме да постигнем това чрез разработване на процедура, която исках да нарека "едностепенен изотермален ин витро рекомбинационен метод".
Over the past 15 years or so, my teams have been developing the technology for stitching together those short pieces of DNA into complete bacterial genomes. The largest genome that we constructed contained over one million letters. Which is more than twice the size of your average novel, and we had to put every single one of those letters in the correct order, without a single typo. We were able to accomplish this by developing a procedure that I tried to call the "one-step isothermal in vitro recombination method."
(Смях)
(Laughter)
Но, изненадващо, научната общност не хареса това технически точно име и реши да я нарече Гибсън свързване. Гибсън свързването сега е златният стандарт като инструмент в лабораториите по света за създаването на къси и дълги парчета ДНК.
But, surprisingly, the science community didn't like this technically accurate name and decided to call it Gibson Assembly. Gibson Assembly is now the gold standard tool, used in laboratories around the world for building short and long pieces of DNA.
(Аплодисменти)
(Applause)
Щом синтезирахме химически пълния бактериален геном, следващото предизвикателство бе да намерим начин да го превърнем в независима, самовъзпроизвеждаща се клетка. Подходихме към генома като към операционна система на клетката, като клетката съдържа хардуера, необходим за стартирането на генома. След много проби и грешки разработихме процедура за репрограмиране на клетките и дори за превръщането на един вид бактерия в друг чрез заместване на генома на една клетка с този на друга. Тази технология за трансплантация на геном после откри пътя за стартирането на геноми, написани от учени, а не от майката Природа. През 2010 г. всички технологии, които разработвахме за четене и писане на ДНК се обединиха, когато обявихме създаването на първата синтетична клетка, която, разбира се, кръстихме Синтия.
Once we chemically synthesized the complete bacterial genome, our next challenge was to find a way to convert it into a free-living, self-replicating cell. Our approach was to think of the genome as the operating system of the cell, with the cell containing the hardware necessary to boot up the genome. Through a lot of trial and error, we developed a procedure where we could reprogram cells and even convert one bacterial species into another, by replacing the genome of one cell with that of another. This genome transplantation technology then paved the way for the booting-up of genomes written by scientists and not by Mother Nature. In 2010, all of the technologies that we had been developing for reading and writing DNA all came together when we announced the creation of the first synthetic cell, which of course, we called Synthia.
(Смях)
(Laughter)
Откакто последователността на първия бактериален геном бе установена през 1995, още хиляди последователности на цели бактериални геноми са съхранени в компютърни бази от данни. Нашата синтетична клетка доказа идеята, че можем да обърнем процеса - да вземем пълна последователност на бактериален геном от компютъра и да превърнем тази информация в независима, самовъзпроизвеждаща се клетка с всички очаквани характеристики на вида, който сме създали.
Ever since the first bacterial genome was sequenced, back in 1995, thousands more whole bacterial genomes have been sequenced and stored in computer databases. Our synthetic cell work was the proof of concept that we could reverse this process: pull a complete bacterial genome sequence out of the computer and convert that information into a free-living, self-replicating cell, with all of the expected characteristics of the species that we constructed.
Разбирам защо може да има тревога за сигурността при това ниво на генетична манипулация. Технологията има потенциал за големи обществени облаги, но също и за нанасяне на вреди. С тази мисъл, дори преди да направим най-първия експеримент, екипът ни започна да работи с хората и правителството, за да намерим заедно начини да разработим и регулираме отговорно тази нова технология. Един от резултатите от дискусиите ни бе да се проверява всеки клиент и неговите поръчки за синтезиране на ДНК, за да е сигурно, че няма да се създават патогени или токсини от лоши хора или погрешка от учени. Всички подозрителни поръчки се докладват на ФБР и на други подходящи агенции, поддържащи закона.
Now I can understand why there may be concerns about the safety of this level of genetic manipulation. While the technology has the potential for great societal benefit, it also has the potential for doing harm. With this in mind, even before carrying out the very first experiment, our team started to work with the public and the government to find solutions together to responsibly develop and regulate this new technology. One of the outcomes from those discussions was to screen every customer and every customer's DNA synthesis orders, to make sure that pathogens or toxins are not being made by bad guys, or accidentally by scientists. All suspicious orders are reported to the FBI and other relevant law-enforcement agencies.
Технологиите за синтетични клетки ще задвижат следващата индустриална революция и ще преобразят индустрии и икономики по начини, свързани с глобалните екологични предизвикателства. Възможностите са безкрайни. Помислете за дрехи, направени от възобновяеми биоизточници, коли, движещи се с биогориво от проектирани микроби, пластмаси, направени от биоразградими полимери и лични терапии, отпечатвани до леглото на пациента. Огромните усилия да създадем синтетични клетки ни направиха световен лидер в писането на ДНК. В процеса на работа открихме начини да пишем ДНК по-бързо, по-точно и по-надеждно.
Synthetic cell technologies will power the next industrial revolution and transform industries and economies in ways that address global sustainability challenges. The possibilities are endless. I mean, you can think of clothes constructed form renewable biobased sources, cars running on biofuel from engineered microbes, plastics made from biodegradable polymers and customized therapies, printed at a patient's bedside. The massive efforts to create synthetic cells have made us world leaders at writing DNA. Throughout the process, we found ways to write DNA faster, more accurately and more reliably.
Заради големите усилия при тези технологии, открихме,че можем лесно да автоматизираме процеса и да прехвърлим лабораторните работни процеси от ръцете на учените към машина. През 2013 създадохме първия ДНК принтер. Наричаме го BioXp. И той е изключително важен за писането на ДНК за множество приложения, по които работят екипът ми и изследователите по света.
Because of the robustness of these technologies, we found that we could readily automate the processes and move the laboratory workflows out of the scientist's hands and onto a machine. In 2013, we built the first DNA printer. We call it the BioXp. And it has been absolutely essential in writing DNA across a number of applications my team and researchers around the world are working on.
Скоро след като създадохме BioXp получихме онзи имейл за заплахата от птичи грип H7N9 в Китай. Екип от китайски учени вече беше изолирал вируса, установил последователността в неговата ДНК и качил резултата в интернет. По молба на американското правителство свалихме ДНК-последователността и за по-малко от 12 часа я отпечатахме на BioXp. Сътрудниците ни в Novartis бързо започнаха да превръщат синтетичната ДНК във ваксина. Междувременно CDC, използващи технология още от 1940 г., все още чакаха вируса да пристигне от Китай, за да започнат работа по базирания си на яйце подход. За пръв път имахме противогрипна ваксина, разработена предварително за нов и потенциално опасен щам и американското правителство поръча големи запаси.
It was shortly after we built the BioXp that we received that email about the H7N9 bird flu scare in China. A team of Chinese scientists had already isolated the virus, sequenced its DNA and uploaded the DNA sequence to the internet. At the request of the US government, we downloaded the DNA sequence and in less than 12 hours, we printed it on the BioXp. Our collaborators at Novartis then quickly started turning that synthetic DNA into a flu vaccine. Meanwhile, the CDC, using technology dating back to the 1940s, was still waiting for the virus to arrive from China so that they could begin their egg-based approach. For the first time, we had a flu vaccine developed ahead of time for a new and potentially dangerous strain, and the US government ordered a stockpile.
(Аплодисменти)
(Applause)
В този момент започнах да ценя повече от всякога силата на биологичната телепортация.
This was when I began to appreciate, more than ever, the power of biological teleportation.
(Смях)
(Laughter)
И разбира се, с тази мисъл започнахме да създаваме биологичен телепортатор. Наричаме го DBC. Това е съкращение на дигитално- биологичен преобразувател. За разлика от BioXp, който започва от предварително създадени къси парченца ДНК, DBC започва от дигитализиран ДНК код и превръща този ДНК код в биологични единици, като ДНК, РНК, протеини и дори вируси. Можем да разглеждаме BioXp като DVD устройство, което изисква вкарването на физически диск, докато DBC е Netflix. За да създадем DBC, моят екип от учени работи със софтуерни и контролни инженери, за да събере множеството лабораторни работни процеси в една кутия. Това включваше софтуерни алгоритми, предсказващи каква ДНК да се създаде, химия, свързваща Г,А,Т и Ц - строителните блокчета на ДНК в къси парченца, Гибсън свързване, за да зашие късите парченца едно за друго в много по-дълги и биология, която да превърне ДНК в други биологични единици, например протеини.
Naturally, with this in mind, we started to build a biological teleporter. We call it the DBC. That's short for digital-to-biological converter. Unlike the BioXp, which starts from pre-manufactured short pieces of DNA, the DBC starts from digitized DNA code and converts that DNA code into biological entities, such as DNA, RNA, proteins or even viruses. You can think of the BioXp as a DVD player, requiring a physical DVD to be inserted, whereas the DBC is Netflix. To build the DBC, my team of scientists worked with software and instrumentation engineers to collapse multiple laboratory workflows, all in a single box. This included software algorithms to predict what DNA to build, chemistry to link the G, A, T and C building blocks of DNA into short pieces, Gibson Assembly to stitch together those short pieces into much longer ones, and biology to convert the DNA into other biological entities, such as proteins.
Това е прототипът. Макар и некрасив, беше ефективен. Правеше терапевтични лекарства и ваксини. Лабораторни процеси, които някога отнемаха седмици или месеци, сега могат да се извършат за един-два дни. И всичко това без никаква човешка намеса, предизвикано само от получаването на един имейл, който може да бъде изпратен от всяко място по света. Обичаме да сравняваме DBC с факс машина. Но докато факс машините получават изображения и документи, DBC получава биологични материали. Да видим как са се развивали факс машините. Прототипът от 1840 г. е неразпознаваем в сравнение със сегашните факс машини. През 1980-те повечето хора все още не знаели какво е факс машина, а ако знаели, им било трудно да разберат принципа на незабавното възпроизвеждане на едно изображение на другия край на света. Но днес всичко, което прави една факс машина е интегрирано в смартфоните ни и разбира се, приемаме бързата обмяна на дигитална информация за даденост.
This is the prototype. Although it wasn't pretty, it was effective. It made therapeutic drugs and vaccines. And laboratory workflows that once took weeks or months could now be carried out in just one to two days. And that's all without any human intervention and simply activated by the receipt of an email which could be sent from anywhere in the world. We like to compare the DBC to fax machines. But whereas fax machines received images and documents, the DBC receives biological materials. Now, consider how fax machines have evolved. The prototype of the 1840s is unrecognizable, compared with the fax machines of today. In the 1980s, most people still didn't know what a fax machine was, and if they did, it was difficult for them to grasp the concept of instantly reproducing an image on the other side of the world. But nowadays, everything that a fax machine does is integrated on our smart phones, and of course, we take this rapid exchange of digital information for granted.
Ето как изглежда днес нашият DBC. Представяме си как DBC ще се развие по подобен на факса начин. Работим по намаляването на размера на инструмента и да направим базовата технология по-надеждна, по-евтина, по-бърза и по-точна. Прецизността е изключително важна, когато синтезираме ДНК, защото само една промяна на ДНК-буква може да бъде разликата между работещо и неработещо лекарство или жива и мъртва синтетична клетка.
Here's what our DBC looks like today. We imagine the DBC evolving in similar ways as fax machines have. We're working to reduce the size of the instrument, and we're working to make the underlying technology more reliable, cheaper, faster and more accurate. Accuracy is extremely important when synthesizing DNA, because a single change to a DNA letter could mean the difference between a medicine working or not or synthetic cell being alive or dead.
DBC ще бъде от полза за разпръснатото производство на лекарства, създадени от ДНК. Всяка болница в света би могла да използва DBC за отпечатване на персонализирани лекарства за пациент до леглото му. Дори си представям деня, когато за хората е нормално да имат DBC, свързан с домашния им компютър или смартфона им, като средство за изпълнение на рецепти, като инсулин или терапия с антитела. DBC ще бъде ценен също и когато се намира в стратегически райони по света за бърза реакция срещу избухнали епидемии. Например, CDC в Атланта, Джорджия могат да изпратят инструкции за ваксина против грип на DBC в другия край на света, където ваксината да бъде произведена на самата фронтова линия. Тази противогрипна ваксина може дори да бъде специализирана за грипния щам, който се разпространява локално. Изпращането на ваксини в дигитален файл вместо запасяването със същите тези ваксини и транспортирането им, обещава да спаси хиляди животи.
The DBC will be useful for the distributed manufacturing of medicine starting from DNA. Every hospital in the world could use a DBC for printing personalized medicines for a patient at their bedside. I can even imagine a day when it's routine for people to have a DBC to connect to their home computer or smart phone as a means to download their prescriptions, such as insulin or antibody therapies. The DBC will also be valuable when placed in strategic areas around the world, for rapid response to disease outbreaks. For example, the CDC in Atlanta, Georgia could send flu vaccine instructions to a DBC on the other side of the world, where the flu vaccine is manufactured right on the front lines. That flu vaccine could even be specifically tailored to the flu strain that's circulating in that local area. Sending vaccines around in a digital file, rather than stockpiling those same vaccines and shipping them out, promises to save thousands of lives.
Разбира се, приложенията могат да бъдат ограничени само от въображението. Не е трудно да си представим DBC на друга планета. Тогава учените на Земята биха могли да изпращат дигитални инструкции на този DBC как да прави нови лекарства или синтетични организми, които произвеждат кислород, храна, гориво или строителни материали като средство за превръщане на планетата в обитаема за хората.
Of course, the applications go as far as the imagination goes. It's not hard to imagine placing a DBC on another planet. Scientists on Earth could then send the digital instructions to that DBC to make new medicines or to make synthetic organisms that produce oxygen, food, fuel or building materials, as a means for making the planet more habitable for humans.
(Аплодисменти)
(Applause)
С дигитална информация, пътуваща със скоростта на светлината, ще трябват само минути на дигиталните инструкции да стигнат от Земята до Марс, но ще отнеме месеци същите мостри да се доставят физически с космически кораб. Засега ще съм удовлетворен да изпращам нови лекарства по земното кълбо, напълно автоматизирано и при поискване, спасявайки животи от появяващите се заразни болести и отпечатвайки персонализирани лекарства срещу рак за тези,които не могат да чакат.
With digital information traveling at the speed of light, it would only take minutes to send those digital instructions from Earth to Mars, but it would take months to physically deliver those same samples on a spacecraft. But for now, I would be satisfied beaming new medicines across the globe, fully automated and on demand, saving lives from emerging infectious diseases and printing personalized cancer medicines for those who don't have time to wait.
Благодаря ви.
Thank you.
(Аплодисменти)
(Applause)