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.
Lasciate che vi parli di costruire cellule sintetiche e stampare vita sintetica. Ma prima, vi racconterò una breve storia. Il 31 Marzo 2013, io e il mio team ricevemmo una email da una struttura sanitaria internazionale avvertendoci della morte di due uomini in Cina poco dopo aver contratto l'influenza aviaria. Si temeva una pandemia globale poiché il virus si stava diffondendo rapidamente per tutta la Cina. Sebbene esistevano metodi per produrre un vaccino e fermare il propagarsi della malattia, nel migliore dei casi, non sarebbe stato disponibile per almeno sei mesi. Questo perché un lento, antiquato processo produttivo del vaccino sviluppato oltre 70 anni fa era l'unica opzione.
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.
Il virus dovrebbe essere separato dai pazienti infetti, impacchettato e poi spedito a un laboratorio dove gli scienziati iniettano il virus nelle uova di gallina, e incubano quelle uova per diverse settimane in modo da preparare il virus per un processo produttivo multifase e plurimensile. Io e il mio team ricevemmo questa email poiché avevamo appena inventato una stampante biologica, la quale permette alle istruzioni per il vaccino di essere scaricate da internet e stampate immediatamente. Accellerando drasticamente il processo produttivo dei vaccini, e potenzialmente salvando milioni di vite.
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 stampante biologica influenza la nostra abilità di leggere e scrivere DNA e comincia a porre a fuoco ciò che chiamiamo teletrasporto biologico. Sono biologo e ingegnere e costruisco cose dal DNA. Credeteci o no, una delle cose che preferisco fare è smontare il DNA e rimontarlo così da poter capire meglio come funziona. Posso modificare e programmare il DNA a fare cose, come un programmatore. Ma le mie applicazioni sono diverse. Creano la vita. Cellule viventi auto-replicanti, entità come vaccini e terapie che operano in modi che prima erano impossibili.
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.
Questi sono Craig Venter, vincitore della National Medal of Science e il Premio Nobel Ham Smith. Entrambi condividevano una visione simile. La visione era, visto che tutte le funzioni e caratteristiche di tutte le entità biologiche, virus e cellule viventi compresi, sono scritte nel codice del DNA, se uno può scrivere e leggere quel codice, in seguito possono essere riedificate in un luogo remoto. Questo è ciò che intendiamo per teletrasporto biologico. Per implementare questa visione, Craig e Ham stabilirono l'obiettivo di creare, per la prima volta, una cellula sintetica, partendo dal codice genetico nel computer. Voglio dire, insomma, da scienziato in cerca di lavoro, svolgendo una ricerca all'avanguardia, non potrebbe andare meglio di così.
(Laughter)
(Risate)
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 è un set completo di DNA all'interno di un organismo. In seguito al Progetto Genoma Umano nel 2003, un impegno internazionale per identificare il completo modello genetico di un essere umano, accadde una rivoluzione genomica. Gli scienziati iniziarono a padroneggiare le tecniche per leggere il DNA. In modo da determinare l'ordine delle A, C, T e G all'interno di un organismo. Ma il mio lavoro era molto diverso. Dovevo padroneggiare le tecniche per scrivere il DNA. Come l'autore di un libro, tutto è iniziato scrivendo frasi brevi, o sequenze del codice genetico, ma ben presto diventarono paragrafi e romanzi veri e propri del codice genetico, per creare importanti comandi biologici per le proteine e cellule viventi. Le cellule viventi sono le macchine più efficienti della natura, e giustificano la produzione del 25% del mercato farmaceutico totale, il quale ammonta a miliardi di dollari.
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.
Sapevamo che scrivere il DNA avrebbe dato ulteriore impulso a questa bioeconomia, non appena avremmo saputo programmare le cellule come dei computer. Sapevamo anche che scrivere il DNA avrebbe consentito il teletrasporto biologico, la stampa di un materiale biologico definito, iniziando dal codice genetico. Come passo in avanti per portare queste promesse a compimento, il nostro team ha deciso di creare, per la prima volta, una cellula batterica sintetica, partendo dal codice genetico nel computer. Il DNA sintetico è un prodotto. Si possono ordinare brevi sequenze di DNA da parte di numerose imprese, le quali useranno questi quattro prodotti chimici di cui è costituito il DNA, G, A, T e C, e costruiranno quelle brevi sequenze di DNA per voi.
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."
Negli ultimi 15 anni e passa, i miei team hanno sviluppato la tecnologia per cucire insieme quelle brevi sequenze di DNA in genomi batterici completi. Il genoma più grande che abbiamo costruito conteneva oltre un milione di lettere. Il quale è più del doppio di un tipico romanzo, e abbiamo dovuto sistemare ogni singola lettera nell'ordine corretto, senza neanche un errore. Siamo stati in grado di realizzare ciò grazie ad una procedura che volevo chiamare "metodo isotermico unifase di ricombinazione in vitro."
(Laughter)
(Risate)
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.
Ma la comunità scientifica non ha gradito questo nome tecnicamente accurato, e ha deciso di chiamarlo Gibson Assembly. Il Gibson Assembly è ora il metodo standard, usato nei laboratori in tutto il mondo per creare sequenze brevi e lunghe di DNA.
(Applause)
(Applausi)
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.
Dopo aver sintetizzato chimicamente il genoma batterico completo, la sfida successiva era quella di trovare un modo per convertirlo in una cellula vivente e auto-replicante. Abbiamo pensato al genoma come sistema operativo della cellula, con quest'ultima contenente l'hardware necessario per avviare il genoma. Attraverso tentativi ed errori, abbiamo sviluppato una procedura dove è possibile riprogrammare cellule e persino convertirle da una specie batterica all'altra, sostituendo il genoma di una cellula con quello di un'altra. Questa tecnologia di trapianto del genoma ha poi aperto la strada per l'avvio di genomi scritti da scienziati e non da Madre Natura. Nel 2010, tutte queste tecnologie sviluppate per leggere e scrivere il DNA si sono combinate quando abbiamo annunciato la creazione della prima cellula sintetica, che ovviamente, abbiamo chiamato Synthia.
(Laughter)
(Risate)
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.
A partire dalla creazione del primo genoma batterico, nel 1995, altre migliaia di genomi batterici sono stati creati e conservati in banche dati informatiche. Il nostro lavoro è stato la dimostrazione di fattibilità di poter invertire il processo: prendere una sequenza completa di genoma batterico dal computer e convertire quell'informazione in una cellula vivente e auto-replicante, con tutte le caratteristiche previste della specie che abbiamo creato.
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.
Posso capire perché ci possono essere preoccupazioni riguardo la sicurezza di questo livello di manipolazione genetica. La tecnologia ha il potenziale per dare un grande vantaggio alla società, tuttavia può anche arrecare danno. Con questo in mente, ancor prima aver svolto il primissimo esperimento, il nostro team iniziò a collaborare con il pubblico e il governo per trovare soluzioni per sviluppare e regolare in modo responsabile la nuova tecnologia. Uno degli esiti di questi dibattiti è stato quello di scremare ogni cliente e ogni ordine di sintesi genetica del cliente, per assicurare che patogeni o tossine non vengano creati da malintenzionati o da scienziati per errore. Tutti gli ordini sospetti vengono riferiti al FBI e ad altre forze dell'ordine pertinenti.
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.
Questa nuova tecnologia darà la spinta alla prossima rivoluzione industriale e trasformerà le industrie e le economie in modo da affrontare le sfide della sostenibilità globale. Ci sono infinite possibilità. Voglio dire, pensate a vestiti composti da materiali a base biologica e rinnovabile, macchine che usano biocarburante progettato da microbi, plastica composta da polimeri biodegradabili e terapie su misura, stampate al capezzale del paziente. I notevoli sforzi per creare cellule sintetiche ci hanno reso leader mondiali nello scrivere il DNA. Durante il processo, abbiamo trovato modi per scrivere il DNA più velocemente, più accuratamente e in modo più attendibile.
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.
Grazie alla solidità di queste tecnologie, abbiamo scoperto di riuscire ad automatizzare facilmente i processi e spostare il flusso di lavoro dagli scienziati a un computer. Nel 2013, abbiamo costruito la prima stampante genetica. La chiamiamo BioXp. È stata assolutamente essenziale nello scrivere il DNA in una serie di applicazioni su cui il mio team e ricercatori nel mondo stiamo lavorando.
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.
È stato poco dopo aver costruito BioXp che ricevemmo quella email riguardo la paura dell'influenza aviaria in Cina. Un team di scienziati cinesi aveva già separato il virus, creato e caricato la sequenza genetica su internet. Su richiesta del governo USA, abbiamo scaricato quella sequenza e in meno di 12 ore, l'abbiamo stampata usando BioXp. I nostri collaboratori a Novartis successivamente trasformarono il DNA sintetico in un vaccino. Nel frattempo, il CDC, usando la tecnologia risalente al 1940, stava ancora aspettando l'arrivo del virus dalla Cina così da poter iniziare il loro approccio basato sulle uova. Per la prima volta, avevamo sviluppato un vaccino in tempo per una nuova e potenzialmente pericolosa forma di influenza, e il governo USA ha ordinato una riserva.
(Applause)
(Applausi)
This was when I began to appreciate, more than ever, the power of biological teleportation.
Questo fu quando iniziai ad apprezzare, più che mai, il potere del teletrasporto biologico.
(Laughter)
(Risate)
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 questo a mente, iniziammo a costruire il teletrasporto biologico. Lo chiamiamo il DBC. È il diminutivo di convertitore da digitale a biologico. Diversamente da BioXp, la quale inizia con brevi sequenze genetiche pre-fabbricate, il DBC inizia con il codice genetico digitalizzato e lo converte in entità biologiche, come il DNA, RNA, proteine o persino virus. Potete pensare al BioXp come un lettore DVD, che richiede di inserire un DVD concreto, mentre il DBC è come Netflix. Per costruire il DBC, il mio team di scienziati ha lavorato con ingegneri di software e strumentazione per richiudere molteplici flussi di lavoro in una singola macchina. Ciò include gli algoritmi del software per prevedere quale DNA costruire, la chimica per collegare G, A, T e C costruendo sequenze genetiche brevi, il Gibson Assembly per cucire insieme quelle sequenze brevi in sequenze lunghe, e la biologia per convertire il DNA in altre entità biologiche, come le proteine.
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.
Questo è il prototipo. Sebbene non era bello, era efficace. Ha creato medicine terapeutiche e vaccini. E i flussi di lavoro che una volta richiedevano settimane o mesi ora potevano essere svolte in uno o due giorni. Tutto questo senza alcun intervento umano, attivato semplicemente dalla ricevuta di una email che potrebbe essere spedita da qualsiasi parte del mondo. Ci piace paragonare il DBC al fax. Ma mentre i fax ricevono immagini e documenti, il DBC riceve materiali biologici. Ora, considerate il modo in cui si sono evoluti i fax. Il prototipo del 1840 è irriconoscibile, a paragone con i fax di oggi. Nel 1980, la maggioranza delle persone non sapevano ancora cosa fosse, e se lo sapevano, era difficile afferrare il concetto di riprodurre una immagine all'istante dall'altra parte del mondo. Ma al giorno d'oggi, tutte le funzioni del fax sono integrate nei nostri smartphone, e ovviamente, diamo per scontato questo scambio rapido di informazioni.
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.
Questo è l'aspetto del DBC moderno. Riteniamo che il DBC si svilupperà in modo simile al fax. Stiamo lavorando per ridurne la grandezza, e per rendere questa tecnologia di base più attendibile, economica, veloce e precisa. La precisione è estremamente importante quando si sintetizza il DNA, perché una singola modifica a una lettera del DNA potrebbe fare differenza tra il successo e il fallimento o la vita o la morte della cellula sintetica.
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.
Il DBC sarà utile per distribuire la produzione di medicine partendo dal DNA. Ogni ospedale nel mondo potrebbe usare il DBC per stampare medicine su misura per i propri pazienti ricoverati. Posso anche immaginare un giorno dove sarà routine per le persone avere un DBC e connetterlo al computer o allo smartphone come mezzo per scaricare prescrizioni, come l'insulina o terapie con anticorpi. Il DBC verrà anche situato in aree strategiche nel mondo, come risposta rapida alle epidemie. Per esempio, il CDC in Atlanta, Georgia potrebbe inviare istruzioni per il vaccino ad un DBC nell'altra parte del mondo, dove il vaccino viene prodotto in prima linea. Il vaccino può anche essere specificamente personalizzato al ceppo influenzale che sta circolando in quell'area locale. Spedire i vaccini tramite un file digitale, invece di fare riserva e spedire fisicamente, promette di salvare milioni di vite.
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.
Naturalmente, gli impieghi vanno lontani quanto l'immaginazione stessa. Non è difficile immaginare un DBC su un altro pianeta. Gli scienziati sulla terra potrebbero spedire le istruzioni digitali a quel DBC per creare nuove medicine o organismi sintetici che producono ossigeno, cibo, carburante e materiali da costruzione, come mezzo per rendere il pianeta più abitabile per gli esseri umani.
(Applause)
(Applausi)
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 le informazioni digitali che viaggiano alla velocità della luce, ci vorrebbero pochi minuti per inviare quelle informazioni dalla Terra a Marte, ma ci vorrebbero mesi per consegnare fisicamente gli stessi campioni con un'astronave. Per ora, sarei soddisfatto nel trasmettere nuove medicine nel mondo interamente automatizzate e su richiesta, salvando vite da malattie infettive emergenti e stampando medicine per il cancro per chi non ha tempo di aspettare.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)