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.
Permettez-moi vous expliquer la fabrication de cellules synthétiques et comment imprimer de la vie. Mais d'abord, je vais vous raconter une histoire. Le 31 mars 2013, mon équipe et moi avons reçu un mail d'une organisation internationale de santé, nous alertant que deux hommes en Chine étaient morts peu après avoir contracté la grippe aviaire H7N9. On pouvait craindre une pandémie globale car le virus commençait à se répandre rapidement à travers la Chine. Bien qu'il existe des méthodes pour produire un vaccin contre la grippe et empêcher la maladie de se propager, au mieux, il ne serait pas disponible avant six mois. C’est dû au fait que la seule solution est un processus de production des vaccins lent, désuet et développé il y a plus de 70 ans.
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.
On doit d’abord isoler le virus chez des patients infectés, les emballer et les expédier dans un centre où des scientifiques vont l'injecter dans des œufs de poule. On va ensuite couver ces œufs pendant plusieurs semaines afin de préparer le virus pour la première étape d'un processus complexe de fabrication du vaccin qui dure des mois. Mon équipe et moi avons donc reçu ce mail car on venait d’inventer une imprimante biologique, qui permet de télécharger les instructions du vaccin instantanément d’Internet et de l'imprimer. On accélère considérablement la façon dont les vaccins antigrippaux sont fabriqués et on sauve potentiellement des milliers de vies.
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.
L’imprimante biologique exploite notre capacité à lire et écrire de l’ADN et commence à attirer l’attention sur ce qu'on appelle la téléportation biologique. Je suis biologiste et ingénieur et je fabrique des choses à partir d’ADN. C’est difficile à croire mais une de mes occupations favorites est de démanteler l’ADN et de le recomposer pour mieux comprendre son fonctionnement. Je peux éditer et programmer l’ADN pour lui faire faire des choses, comme n’importe quel programme informatique. Mais mes applications sont différentes. Elles créent de la vie, des cellules autoréplicables ou des vaccins et des thérapies qui fonctionnent de manière impossible jusqu'à présent.
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.
Voici le lauréat de la distinction nationale des Sciences, Craig Venter et le lauréat du Prix Nobel, Ham Smith. C'est deux personnes partagent une vision similaire. Ils pensent que puisque toutes les fonctions et caractéristiques de tous les êtres vivants, jusqu’aux virus et cellules vivantes, sont écrites dans le code de lADN, si on peut lire et écrire ce code, on peut le reconstituer ailleurs. C’est ce que nous voulons dire par téléportation biologique. Pour prouver cette idée, Craig et Ham ont décidé de créer, pour la première fois au monde, une cellule synthétique, provenant d’un code ADN dans un ordinateur. Ça en jettte, non ? Pour un scientifique à la recherche d'un emploi, on ne fait pas mieux en termes de recherche de pointe.
(Laughter)
(Rires)
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 génome est un ensemble complet d’ADN à l’intérieur d’un organisme. En 2003, le projet génome humain, une initiative internationale pour identifier le séquençage complet de l'ADN du génome humain, une révolution génomique s’est produite. Les scientifiques ont maîtrisé les techniques de séquençage de l’ADN pour déterminer l’ordre d’apparition des A, C, T et G dans un organisme. Mais ma mission est très éloignée de ça. Je dois maîtriser les techniques pour écrire de l’ADN. Comme un auteur de roman, j’ai commencé en écrivant des phrases courtes, des séquences de code d’ADN, et progressivement, j'ai écrit des paragraphes, en ensuite, des romans entiers d’ADN, des instructions biologiques importantes pour les protéines et cellules vivantes. Une cellule est le moyen naturel le plus efficace pour créer de nouveaux produits. Elles produisent de 25% de tout le marché pharmaceutique, ce qui représente des milliards de dollars.
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.
C’était évident qu’écrire de l’ADN allait développer davantage la bio-économie dès que les cellules pourraient être programmées comme un ordinateur. C’était évident aussi qu’écrire de l’ADN allait rendre possible la téléportation biologique, l’impression de matériaux biologiques déterminés, en partant d'un code d’ADN. Le premier pas vers cet accomplissement s’est concrétisé quand notre équipe a décidé de créer pour la première fois une cellule de bactérie synthétique à partir d’un code d’ADN dans un ordinateur. L’ADN synthétique est une commodité. On peut commander de très petits bouts d’ADN auprès de plusieurs entreprises. Elles prennent ces quatre bouteilles de produits chimiques qui constituent l’ADN, G, A, T et C, et vont fabriquer ces petites séquences d’ADN à votre demande.
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."
Il y a un peu plus de 15 ans que mon équipe développe une technologie pour assembler ces morceaux d’ADN en génomes de bactérie entiers. Le plus grand génome que nous avons assemblé contient plus d’un million de lettres, soit un peu plus que le double d’un roman. Nous avons dû aligner toutes les lettres, une par une, dans le bon ordre sans une seule erreur. On y est parvenu en développant un protocole que j’ai voulu nommer :
(Laughter)
« la méthode in vitro isothermique recombinante en une seule étape ».
(Rires)
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.
C’est étrange, mais la communauté scientifique n’a pas voulu d’un terme techniquement exact et a décidé de l’appeler : « Gibson Assembly. » Gibson Assembly est devenu un outil standard utilisé par tous les laboratoires dans le monde pour fabriquer des séquences d’ADN courtes et longues.
(Applause)
(Applaudissements)
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.
Une fois le génome bactériologique complet synthétisé chimiquement, on a relevé le défi suivant : trouver une façon de le convertir en une cellule auto-réplicante vivante. On a considéré que le génome était le système d’exploitation de la cellule, celle-ci contenant le matériel nécessaire pour faire tourner le génome. En suivant la méthode empirique, nous avons développé un protocole pour reprogrammer des cellules. On a même réussi à convertir une espèce bactériologique en une autre en remplaçant le génome d’une cellule par celui d’une autre. Cette technologie de transplantation du génome a ouvert la voie au démarrage des génomes écrit par les scientifiques et non par Mère nature. En 2010, toutes les technologies que nous avions développées pour lire et écrire de l'ADN, se sont combinées au moment de l'annonce de la création de la première cellule synthétique, que nous avons bien évidemment nommée Synthia.
(Laughter)
(Rires)
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.
Depuis le premier séquençage du génome d'une bactérie en 1995, des milliers de génomes de bactéries ont été séquencés et sauvegardés dans des bases de données. Notre cellule synthétique démontrait la faisabilité que nous pouvions réaliser ce processus en sens inverse : prendre une séquence complète d'un génome d'une bactérie et convertir cette information digitale en une cellule vivante auto-réplicante, munie de toutes les caractéristiques attendues dans l'espèce reconstruite.
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.
Je comprends les inquiétudes sur la sécurité à un tel niveau de manipulation génétique. Si cette technologie a un grand potentiel de contribuer positivement à la société, elle peut aussi lui nuire. Nous y pensions avant même d'entreprendre nos premières expériences. L'équipe a immédiatement travaillé avec la société civile et le gouvernement pour trouver des solutions ensemble et développer et réglementer ces nouvelles technologies de manière responsable. Une des conséquences de ces discussions prend la forme d'un audit de chaque client et de toutes les commandes d'ADN synthétique pour nous assurer que des pathogènes ou des toxines ne sont pas créés par des personnes malveillantes ou des scientifiques accidentellement. Nous alertons le FBI de toute commande suspecte ainsi que les autres agences de maintien de l'ordre public.
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 synthèse cellulaire va alimenter la prochaine révolution industrielle et transformer l'industrie et l'économie et leur permettre de s'atteler aux défis mondiaux d'un environnement durable. Il y a un nombre infini de possibilités. On pourrait imaginer des vêtements fabriqués à partir de sources biologiques renouvelables, des bio-combustibles pour les voitures produits par des microbes conçus pour ça, du plastique fabriqué à partir de biopolymères biodégradables, des thérapies personnalisées imprimées au chevet des patients. Les efforts énormes consentis pour créer des cellules synthétiques ont fait de nous les leaders mondiaux dans l'écriture d'ADN. Durant tout ce processus, on a trouvé des moyens plus rapides d'écrire l'ADN, plus précis et plus surs.
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 robustesse de ces technologies nous a conduits à découvrir que ces processus peuvent être automatisés et que les protocoles de manipulations par les scientifiques en labo peuvent glisser vers des machines. En 2013, on a créé notre première imprimante d'ADN. On l'a appelée BioXp. Cette machine s'est avérée cruciale pour écrire de l'ADN pour des applications multiples que mon équipe et des chercheurs dans le monde développent.
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.
Peu après avoir assemblé la BioXp, nous avons reçu ce message au sujet de la grippe aviaire H7N9 en Chine. Une équipe scientifique chinoise avait déjà isolé le virus, séquencé son ADN et téléchargé la séquence sur Internet. À la demande du gouvernement américain, nous avons téléchargé la séquence d'ADN et en moins de 12 heures, nous l'avons imprimée sur la BioXp. Nos collaborateurs chez Novartis ont immédiatement transformé l'ADN synthétique en vaccin anti-grippe. Entretemps, le centre pour le contrôle et la prévention des maladies, avec sa technologie des années 40, attendait toujours l'arrivée du virus expédié de Chine pour entamer leur procédure avec les œufs. Pour la première fois, on avait un vaccin suffisamment en avance pour empêcher la diffusion d'une souche nouvelle potentiellement dangereuse et le gouvernement américain a passé commande.
(Applause)
(Applaudissements)
This was when I began to appreciate, more than ever, the power of biological teleportation.
C'est à ce moment-là que j'ai vraiment aimé, pour de vrai, le pouvoir de la téléportation biologique.
(Laughter)
(Rires)
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.
De fil en aiguille, nous avons donc commencé à concevoir un téléporteur biologique. On l'a surnommé ONB. C'est l'acronyme d'onduleur du numérique vers le biologique. Contrairement au BioXp, qui part de petits morceaux d'ADN préfabriqués, l'ONB part d'un code d'ADN numérique et le convertit en entités biologiques comme l'ADN, l'ARN, les protéines ou des virus. On pourrait dire que le BioXp est un lecteur DVD, qui a besoin d'un DVD concret, alors que l'ONB, c'est Netflix. Pour fabriquer l'ONB, mon équipe a travaillé avec des ingénieurs informaticiens et d'instrumentation pour réduire de multiples protocoles de laboratoire en une seule machine. On parle notamment d'algorithmes prédictifs de l'ADN à fabriquer, de chimie pour lier les briques de l'ADN, G,A,T et C, en petits morceaux, de Gibson Assembly pour assembler ces petits morceaux en plus gros et de biologie pour convertir l'ADN en entités biologiques, comme les protéines.
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.
Voici le prototype. Il est assez moche mais très efficace. Il a produit des thérapies et des vaccins. Des protocoles qui duraient des semaines ou des mois en laboratoire, ont pu être réalisés en un ou deux jours. Tout cela, sans aucune intervention humaine, et activé à la réception d'un mail qui peut venir de n'importe où dans le monde. On compare l'ONB à un fax. Là où les fax réceptionnent des images et des documents, l'ONB réceptionne des matériaux biologiques. Rappelez-vous l'évolution qu'a connue le fax. Le prototype fabriqué dans les années 40 est méconnaissable par rapport aux machines d'aujourd'hui. Dans les années 80, les gens ne savaient pas de quoi il s'agissait. Mais s'ils le savaient, ils avaient du mal à concevoir l'idée de reproduction immédiate d'une image à l'autre bout du monde. Mais aujourd'hui, tout ce que fait un fax est intégré dans nos smartphones et ces échanges d'informations numériques instantanés nous semblent évidents.
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.
Voici à quoi ressemble notre ONB aujourd'hui. On pense que son évolution sera similaire à celle du fax. On s'efforce de réduire la taille des instruments et de rendre la technologie sous-jacente plus stable, moins chère, plus rapide et plus précise. La précision est cruciale pour synthétiser de l'ADN car un seul changement de lettre fait la différence entre une thérapie qui guérit ou pas, ou entre une cellule synthétique vivante ou morte.
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.
L’ONB sera utile pour la fabrication à distance de thérapies élaborées au départ de l’ADN. Tous les hôpitaux dans le monde pourraient l’utiliser pour imprimer des thérapies personnalisées littéralement au chevet de patient. Je peux même imaginer le jour où ce sera évident d’avoir un ONB interconnecté avec leur PC ou les smartphones pour télécharger les prescriptions médicales comme l’insuline ou des traitements aux anticorps. L’ONB sera particulièrement utile dans des endroits stratégiques dans le monde, pour réagir rapidement face aux foyers d’épidémies. L’ONB qui est à Atlanta est un bon exemple. Il a pu envoyer les instructions du vaccin à un ONB de l’autre côté du monde où on a fabriqué le vaccin, directement là où il était nécessaire. On a été capable de tailler le vaccin sur mesure de la souche virale qui se répandait dans la région. Quand en envoie les vaccins dans un fichier numérique, plutôt que d’emmagasiner des doses et de les expédier physiquement, on peut sauver des milliers de vie.
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.
Seules les frontières de notre créativité limiteront les applications possibles. Pourquoi ne pas en installer une sur une autre planète ? Depuis la Terre, les scientifiques enverraient des instructions numériques pour fabriquer des nouvelles thérapies ou des organismes synthétiques qui produisent de l’oxygène, de la nourriture, du combustible ou des matériaux de construction, rendant ainsi cette planète habitable par les humains.
(Applause)
(Applaudissements)
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.
Les informations numériques voyagent à la vitesse de la lumière, quelques minutes suffisent pour envoyer ces instructions numérisées sur Mars alors qu’une expédition par vaisseau spatial demanderait plusieurs mois. Aujourd’hui, je serais déjà heureux de téléporter des médicaments nouveaux de manière automatique et à la demande, partout dans le monde, pour sauver des vies des griffes de maladies infectieuses et pour imprimer des thérapies personnalisées contre le cancer
Thank you.
pour ceux qui n’ont plus le temps de patienter.
(Applause)
Merci.