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.
Déjenme que les hable de la fabricación de células artificiales y de cómo imprimir vida. Pero antes, les contaré una breve historia. El 31 de marzo de 2013, mi equipo y yo recibimos un correo de una organización de salud internacional que nos alertaba sobre la muerte de dos hombres en China poco después de contraer la gripe aviaria H7N9. Se temía una pandemia a nivel global ya que el virus había empezado a propagarse rápidamente en China. Si bien era posible producir una vacuna contra la gripe y detener su propagación, esto llevaría por lo menos seis meses. Porque el único método de producción que se tenía en aquel momento era un proceso lento y anticuado, desarrollado 70 años atrás.
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.
Había que aislar el virus de pacientes infectados, envasarlo y enviarlo a un laboratorio, donde los científicos inyectarían huevos de gallina con el virus y los incubarían durante varias semanas para preparar el virus y poder dar inicio a las numerosas etapas de elaboración de la vacuna --un proceso que llevaría meses--. Mi equipo y yo recibimos ese correo porque acabábamos de inventar una impresora biológica que permitiría descargar de Internet e imprimir instantáneamente las instrucciones de la vacuna contra la gripe, acelerando drásticamente la producción de la vacuna y potencialmente salvando miles de vidas.
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.
La impresora biológica hace uso de nuestra habilidad para leer y escribir ADN y nos acerca a lo que nos gusta llamar "teletransporte biológico". Soy biólogo e ingeniero, y construyo cosas con ADN. Una de las cosas que más disfruto, aunque no lo crean, es desarmar ADN y luego volverlo a armar para entender mejor cómo funciona. Puedo editar y programar ADN como si programara una computadora. Pero mis aplicaciones son distintas. Generan vida. Células vivas autorreplicantes y cosas como vacunas y terapias que funcionan de maneras antes consideradas imposibles.
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.
Aquí vemos a Craig Venter, ganador de la Medalla Nacional de Ciencia, y al premio Nobel Ham Smith. Estos dos hombres compartían la siguiente idea: si todas las funciones y características de todas las entidades biológicas, incluyendo los virus y las células vivas, están escritas en el código de ADN, entonces, pudiendo leer y escribir ese código de ADN se las puede reconstruir en una ubicación remota. Esto es lo que queremos decir con teletransporte biológico. Para demostrar esta visión, Craig y Ham se propusieron crear la primera célula artificial usando código de ADN en la computadora. A ver... como científico que busca trabajo en investigaciones de avanzada, ¡esto es lo mejor que te puede pasar!
(Laughter)
(Risas)
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.
Un genoma es la totalidad del material genético que un organismo posee. Luego del Proyecto Genoma Humano de 2003, una iniciativa internacional para identificar y cartografiar el genoma completo del ser humano, hubo una revolución en el campo de la genómica. Los científicos empezaron a dominar las técnicas para decodificar ADN y así poder determinar el orden de las bases A, C, T y G dentro de un organismo. Pero mi trabajo era muy diferente. Yo tenía que entender las técnicas para escribir ADN. Como el escritor de un libro, empecé escribiendo oraciones cortas, o secuencias de ADN, que pronto se convirtieron en párrafos y luego en novelas enteras de ADN con instrucciones biológicas importantes para proteínas y células vivas. Las células vivas, el mejor mecanismo natural para crear nuevos productos son responsables por la producción del 25 % de los medicamentos, un mercado que vale miles de millones de dólares.
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.
Sabíamos que la escritura de ADN impulsaría aún más esta bioeconomía, cuando pudiéramos programar células igual que una computadora. También sabíamos que posibilitaría el teletransporte biológico, la impresión específica de material biológico a partir de un código de ADN. Como paso inicial para cumplir este objetivo, nuestro equipo se abocó a crear la primera célula bacteriana artificial, a partir de código genético almacenado en la computadora. El ADN sintético es una materia prima. Hay varias compañías donde se pueden encargar segmentos muy cortos de ADN, elaborados a partir de estos cuatro ingredientes básicos: G, A, T y C. Fabrican los segmentos de ADN a pedido.
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."
Durante los últimos 15 años, mis equipos han estado desarrollando la tecnología para unir esos segmentos de ADN y formar genomas bacterianos completos. El genoma más grande que construimos tenía más de un millón de letras. Es más del doble del tamaño de una novela promedio y tuvimos que poner cada letra en el orden correcto, sin un solo error de tipeo. Lo conseguimos desarrollando un procedimiento al que traté de llamar "método de recombinación isotérmica in vitro de un solo paso".
(Laughter)
(Risas)
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.
Sorprendentemente, la comunidad científica no quiso adoptar este nombre tan correcto y decidieron llamarlo "Ensamblaje de Gibson". Hoy en día, el Ensamblaje de Gibson es la herramienta modelo que se usa en laboratorios de todo el mundo para construir segmentos de ADN, sean cortos o largos.
(Applause)
(Aplausos)
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.
Una vez que sintetizamos químicamente el genoma bacteriano completo, lo siguiente era encontrar la manera de convertirlo en una célula viva independiente y autorreplicante. Para nosotros, el genoma era como el sistema operativo de la célula y la célula contenía el hardware necesario para iniciar el genoma. Luego de varios ciclos de prueba y error, desarrollamos un procedimiento para reprogramar células, e incluso convertir una especie bacteriana en otra distinta reemplazando el genoma de una célula por el genoma de otra. Esta tecnología de trasplante de genomas abrió luego el camino para iniciar genomas creados por científicos y no por la Madre Naturaleza. En 2010, todas las tecnologías que habíamos estado desarrollando para leer y escribir ADN dieron finalmente sus frutos cuando anunciamos la creación de la primera célula sintética, a la que, por supuesto, bautizamos "Synthia".
(Laughter)
(Risas)
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.
Desde la secuenciación del primer genoma bacteriano en 1995, miles de otros genomas bacterianos han sido secuenciados en su totalidad y almacenados en bases de datos. Nuestro trabajo con células artificiales demostró que el proceso se podía revertir: se podía tomar de una computadora un genoma bacteriano completo y convertir la información en una célula independiente y autorreplicante, con todas las características esperables para la especie que creamos.
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.
Entiendo por qué puede haber preocupación acerca de la seguridad de esta manipulación genética. Si bien la tecnología tiene potencial para beneficiar mucho a la sociedad, también tiene potencial para hacer daño. Con esto en mente, aun antes de conducir el primer experimento, nuestro equipo trabajó juntamente con la ciudadanía y con el Gobierno para encontrar soluciones que ayudaran a desarrollar y regular esta tecnología de manera responsable. Una de esas soluciones consistió en examinar cada cliente y cada pedido de ADN sintético para asegurarse de no crear patógenos o toxinas por encargo de delincuentes, o simplemente por error de los científicos. Todos los pedidos sospechosos son denunciados al FBI y otros organismos de seguridad.
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.
La tecnología de las células artificiales traerá la próxima Revolución Industrial, y los cambios que generará en las industrias y las economías nos permitirán afrontar el desafío global de la sostenibilidad. Las posibilidades son infinitas. Podríamos elaborar prendas con materiales biobasados renovables, biocombustible para vehículos a partir de microbios modificados, plásticos a partir de polímeros biodegradables y terapias personalizadas, impresas en la habitación del paciente. El enorme trabajo que hicimos con las células artificiales nos convirtió en líderes mundiales en la generación de ADN. En el camino, encontramos modos de generar ADN más rápidamente, con más exactitud y más confiabilidad.
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.
La solidez de estas tecnologías nos permitió automatizar los procesos fácilmente y transferir los protocolos de laboratorio a una máquina. En 2013 construimos la primera impresora de ADN. La llamamos "BioXp". Esta máquina ha sido crucial en el proceso de escritura de ADN para una cantidad de aplicaciones en las que mi equipo está colaborando con investigadores de todo el mundo.
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.
Fue al poco tiempo de construir la BioXp que recibimos ese correo sobre la fiebre aviaria H7N9 en China. Un equipo de científicos chinos ya había conseguido aislar el virus, secuenciar su ADN y subirlo a Internet. A pedido del gobierno de EE. UU., descargamos la secuencia de ADN y, en menos de 12 horas, la imprimimos en la BioXp. Enseguida, nuestros colegas de Novartis comenzaron a convertir ese ADN sintético en una vacuna contra la gripe. El Centro de Control de Enfermedades, en tanto, con tecnología de los años 40, todavía estaba esperando que le llegara el virus de China para poder comenzar con el método de los huevos. Por primera vez teníamos una vacuna contra la gripe desarrollada tempranamente contra una cepa nueva y potencialmente peligrosa, y el gobierno de los EE. UU. hizo acopio.
(Applause)
(Aplausos)
This was when I began to appreciate, more than ever, the power of biological teleportation.
En ese momento, comencé a apreciar más que nunca el poder del teletransporte biológico.
(Laughter)
(Risas)
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.
Naturalmente, con esto en mente, empezamos a construir un teletransportador biológico. Lo llamamos DBC, abreviatura de "convertidor digital-biológico". A diferencia de la BioXp, que trabaja con segmentos cortos de ADN prefabricados, el DBC toma código de ADN digitalizado y lo convierte en entidades biológicas, como ADN, ARN, proteínas e incluso virus. Se podría decir que la BioXp es como un reproductor de DVD, donde hay que insertar un disco físico, mientras que el DBC es como Netflix. Para construir el DBC, mi equipo colaboró con ingenieros en software e instrumentación para integrar una cantidad de protocolos de laboratorio en una única máquina. Esto incluyó los algoritmos para determinar el ADN a fabricar, la química para unir las bases G, A, T y C de ADN y formar segmentos cortos, el Ensamblaje de Gibson para unirlos y formar otros mucho más largos, y la biología para convertir el ADN en otras entidades biológicas, como las proteínas.
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.
Este es el prototipo. No era bonito, pero era efectivo. Fabricaba medicamentos y vacunas, y los protocolos de laboratorio, que antes llevaban semanas o meses, ahora podían ejecutarse en tan solo un día o dos. Todo sin intervención humana y activado simplemente por un correo electrónico que podía ser enviado de cualquier parte del mundo. Nos gusta comparar el DBC con la máquina de fax. Pero mientras la máquina de fax recibía imágenes y documentos, el DBC recibe materiales biológicos. Piensen ahora en la evolución de las máquinas de fax. El prototipo de la década de 1840 es irreconocible comparado con los faxes que hay ahora. En los 80, la mayoría de la gente todavía no sabía qué era el fax, y si lo sabían, les resultaba difícil entender el concepto de que una imagen se reproducía instantáneamente en otra parte del mundo. Hoy, todas las tareas de un fax pueden ser realizadas por el teléfono inteligente y, por supuesto, damos por sentado este intercambio veloz de información digital.
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.
Nuestro DBC hoy en día se ve así. Prevemos que el DBC evolucionará de manera similar a la máquina de fax. Estamos trabajando para reducir el tamaño del instrumento, y para hacer que la tecnología de base sea más confiable, más económica, más veloz y más exacta. La exactitud es extremadamente importante en la síntesis de ADN, porque cambiar tan solo una letra del ADN puede determinar si un medicamento funciona o no, o si una célula sintética está viva o no.
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.
El DBC será de utilidad en la fabricación distribuida de medicamentos a partir de ADN. Todos los hospitales del mundo podrían usar un DBC para imprimir medicamentos personalizados para cada paciente en su habitación. Hasta puedo imaginar que un día será normal tener un DBC en casa conectado a la computadora o al móvil para descargar recetas médicas, como insulina o terapias de anticuerpos. El DBC también será de utilidad en sitios estratégicos de todo el mundo para responder rápidamente ante brotes de enfermedades. Por ejemplo, el Centro de Control de Enfermedades en Atlanta, Georgia, podría enviar instrucciones a un DBC al otro lado del mundo para fabricar una vacuna contra la gripe directamente donde se necesita. Podría incluso ser una vacuna específica para la cepa de la gripe que está circulando en esa zona. Enviar vacunas en un archivo digital, en lugar de acopiarlas y despacharlas, promete salvar miles de vidas.
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.
Por supuesto, podemos imaginar todo tipo de aplicaciones. No es difícil imaginar un DBC instalado en otro planeta. Los científicos podrían mandar desde la Tierra instrucciones digitales a ese DBC para fabricar nuevos medicamentos o para crear organismos sintéticos que produzcan oxígeno, alimento, combustible o materiales de construcción, con el objetivo de hacer ese planeta más apto para la vida humana.
(Applause)
(Aplausos)
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.
Con la información digital que viaja a la velocidad de la luz, sería cuestión de minutos enviar esas instrucciones de la Tierra a Marte, pero llevaría meses enviar las mismas muestras físicamente en una nave espacial. Por ahora, me conformaría con enviar nuevos medicamentos por todo el mundo de forma automática y a pedido, proteger vidas de nuevas enfermedades infecciosas e imprimir drogas contra el cáncer, personalizadas para los pacientes que no pueden esperar.
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)