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.
Ik wil jullie wat vertellen over het maken van synthetische cellen en het afdrukken van leven. Maar eerst snel een verhaal. Op 31 maart 2013 kregen mijn team en ik een e-mail van een internationale gezondheidsorganisatie om ons te waarschuwen dat twee mensen in China stierven, kort na het krijgen van de H7N9-vogelgriep. Er werd gevreesd voor een wereldwijde pandemie toen het virus zich snel over China verspreidde. Hoewel methoden bestonden om een griepvaccin te produceren en de verspreiding van de ziekte te stoppen, was dat in het beste geval pas na zes maanden beschikbaar. Dat kwam omdat een traag, verouderd productieproces voor griepvaccin, meer dan 70 jaar geleden ontwikkeld, de enige optie was.
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.
Het virus moest worden geïsoleerd van geïnfecteerde patiënten, verpakt en vervolgens verstuurd naar een bedrijf waar wetenschappers het virus zouden injecteren in kippeneieren, die eieren enkele weken lang incuberen om het virus voor te bereiden voor de start van een meerstaps, maandenlang productieproces voor een griepvaccin. Mijn team en ik kregen deze e-mail omdat we vlak daarvoor een biologische printer hadden ontwikkeld die het mogelijk kon maken om de instructies voor het griepvaccin direct van het internet te downloaden en af te drukken. Dit versnelde drastisch de manier waarop griepvaccins worden gemaakt en kon zo duizenden levens sparen.
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.
De biologische printer tilt ons vermogen om DNA te lezen en schrijven op een hoger plan en brengt iets binnen bereik dat wij graag omschrijven als biologische teleportatie. Ik ben een bioloog en een ingenieur die dingen maakt van DNA. Geloof het of niet, een van mijn favoriete bezigheden is DNA uit elkaar halen en weer in elkaar zetten zodat ik beter kan snappen hoe het werkt. Ik kan DNA bewerken en programmeren om dingen te doen, net zoals programmeurs een computer programmeren. Maar mijn apps zijn anders. Zij scheppen leven. Zelfreplicerende levende cellen en dingen als vaccins en geneesmiddelen die werken op een manier die voorheen onmogelijk was.
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.
Dit is Craig Venter, ontvanger van de National Medal of Science, en Nobelprijswinnaar Ham Smith. Deze twee kerels deelden een gelijkaardige visie. Die visie was dat alle functies en kenmerken van alle biologische entiteiten, inbegrepen virussen en levende cellen, worden geschreven in DNA-code. En als men die DNA-code kan lezen en schrijven, dan kunnen ze worden gereconstrueerd op een verre locatie. Dit is wat we bedoelen met biologische teleportatie. Om deze visie te bewijzen stelden Craig en Ham zich tot doel om voor het eerst een synthetische cel te creëren uitgaande van DNA-code in de computer. Nou, als wetenschapper op zoek naar een onderzoeksbaan aan de frontlinie is dit wel de crème de la crème.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Een genoom is de complete set van DNA in een organisme. Naar aanleiding van het Human Genome Project in 2003, een internationale samenwerking om de complete genetische blauwdruk van een menselijk wezen te identificeren, kregen we een revolutie in de genomica. Wetenschappers kregen de technieken om DNA te lezen van onder de knie. Om de volgorde van de A’s, C’s, T’s en G’s in een organisme te bepalen. Maar ik deed iets heel anders. Ik moest de technieken voor het schrijven van DNA onder de knie krijgen. Net als bij een boek begon dit met het schrijven van korte zinnen, of sequenties van DNA-code, maar dat werden al snel paragrafen en vervolgens volledige romans in DNA-code, om belangrijke biologische instructies voor eiwitten en levende cellen te maken. Niets beters dan levende cellen voor het maken van nieuwe producten. Ze staan in voor de productie van 25% van de totale farmaceutische markt, ter waarde van miljarden 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.
We wisten dat het schrijven van DNA deze bio-economie nog verder zou brengen, eenmaal cellen zouden kunnen worden geprogrammeerd, net als computers. We wisten ook dat schrijven van DNA biologische teleportatie mogelijk maakte: afdrukken van gedefinieerd, biologisch materiaal uitgaande van de DNA-code. Om deze beloften waar te maken, stelde ons team zich ten doel om voor de eerste keer een synthetische bacteriële cel te maken uitgaande van DNA-code in de computer. Synthetisch DNA is een grondstof. Je kunt heel korte stukjes DNA bestellen bij een aantal bedrijven, en ze zullen uit deze vier flesjes met de chemische bestanddelen van DNA, G, A, T en C, zeer korte stukjes DNA voor je bouwen.
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."
In de afgelopen 15 jaar of zo ontwikkelden mijn teams de technologie om die korte stukjes DNA aan elkaar te naaien tot volledige bacteriële genomen. Ons grootste genoom omvatte meer dan één miljoen letters. Dat is meer dan twee keer de grootte van een gemiddelde roman en we moesten elk van die letters in de juiste volgorde zetten zonder één enkele tikfout. Dit kon door het ontwikkelen van een procedure die ik de ‘éénstaps isotherme in vitro recombinatiemethode’ probeerde te noemen.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Verrassend genoeg vond de wetenschappelijke gemeenschap deze technisch nauwkeurige naam niet leuk en besloot ze het de ‘Gibson Assembly’ te noemen. Gibson Assembly is nu het standaardgereedschap dat wordt gebruikt in laboratoria over de hele wereld voor de bouw van korte en lange stukken DNA.
(Applause)
(Applaus)
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.
Zodra het volledige bacteriegenoom chemisch was gesynthetiseerd, was onze volgende uitdaging een weg te vinden om het om te zetten tot een vrij levende, zelfreplicerende cel. We zagen het genoom als het besturingssysteem van de cel, met in de cel de nodige hardware om het genoom op te starten. Met veel gissen en missen ontwikkelden we een procedure om cellen te herprogrammeren en zelfs één bacteriesoort om te zetten tot een andere door het genoom van één cel te vervangen door dat van een andere. Deze techniek voor genoomtransplantatie effende dan de weg voor het opstarten van genomen geschreven door wetenschappers en niet door moeder natuur. In 2010 kwamen alle technologieën die we hadden ontwikkeld voor het lezen en schrijven van DNA bij elkaar toen we de creatie aankondigden van de eerste synthetische cel, die we natuurlijk Synthia noemden.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Sinds het eerste bacterieel genoom in 1995 werd gesequenced zijn duizenden bacteriële genomen gesequenced en opgeslagen in computerdatabases. Ons werk aan de synthetische cel toonde dat we dit proces konden omkeren: haal een volledige bacteriële genoomsequentie uit de computer en breng die informatie over in een vrij levende, zelfreplicerende cel, met alle verwachte kenmerken van de soort die we bouwden.
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.
Nu begrijp ik wel waarom er zorgen kunnen zijn over de veiligheid van dit niveau van genetische manipulatie. Hoewel de technologie potentieel heeft voor grote maatschappelijke baten, kan ze ook schade veroorzaken. Met dit in het achterhoofd begon ons team, nog voor ons allereerste experiment, samen te werken met publiek en overheid om samen oplossingen te vinden om deze nieuwe technologie verantwoord te ontwikkelen en te reguleren. Een van de uitkomsten van die gesprekken was om elke klant te screenen evenals de bestelde DNA-synthese van elke klant, om ervoor te zorgen dat ziekteverwekkers of toxinen niet door boosdoeners worden gemaakt, of per ongeluk door wetenschappers. Alle verdachte bestellingen worden aan het FBI gemeld alsook aan andere relevante wetshandhavingsinstanties.
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.
Technologieën voor synthetische cellen zijn de motor voor de volgende industriële revolutie en zullen industrieën en economieën omvormen om uitdagingen van mondiale duurzaamheid aan te pakken. De mogelijkheden zijn eindeloos. Ik bedoel, denk aan kleding gemaakt uit hernieuwbare bronnen op biologische basis, auto's die rijden op biobrandstof uit gemanipuleerde microben, plastics gemaakt van biologisch afbreekbare polymeren en op maat gemaakte therapieën, afgedrukt bij het bed van een patiënt. De enorme inspanningen om synthetische cellen te creëren maakten ons tot wereldleiders in het schrijven van DNA. Gedurende het hele proces vonden we manieren om DNA sneller, nauwkeuriger en betrouwbaarder te schrijven.
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.
Vanwege de robuustheid van deze technologieën, vonden we dat we de processen gemakkelijk konden automatiseren. We laten ze niet in het laboratorium door een wetenschapper doen, maar door een machine. In 2013 bouwden we de eerste DNA-printer. We noemen hem de BioXp. Hij was absoluut essentieel bij het schrijven van DNA bij een aantal toepassingen waar mijn team en onderzoekers over de hele wereld mee bezig zijn.
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.
Kort na het bouwen van de BioXp kregen we die e-mail over de angst voor de H7N9-vogelgriep in China. Een team van Chinese wetenschappers had het virus al geïsoleerd, het DNA gesequenced en de DNA-sequentie naar het internet geüpload. Op verzoek van de Amerikaanse regering downloadden we de DNA-sequentie en in minder dan 12 uur drukten we het af op de BioXp. Onze medewerkers bij Novartis gingen vervolgens snel aan de slag om van dat synthetische DNA een griepvaccin te maken. Intussen wachtte de CDC, met hun technologie uit de jaren 1940, nog steeds op het virus uit China zodat ze konden beginnen met hun op eieren gebaseerde aanpak. Voor de eerste keer hadden we een griepvaccin op tijd klaar voor een nieuwe en potentieel gevaarlijke stam en de Amerikaanse regering bestelde een voorraad.
(Applause)
(Applaus)
This was when I began to appreciate, more than ever, the power of biological teleportation.
Toen pas begon ik de mogelijkheden van biologische teleportatie te beseffen.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Met dit in het achterhoofd gingen we natuurlijk een biologische teleporter bouwen. We noemen hem de DBC voor digitaal-naar-biologisch convertor. In tegenstelling tot de BioXp, die uitgaat van geprefabriceerde korte stukjes DNA, begint de DBC met gedigitaliseerde DNA-code en converteert die DNA-code in biologische entiteiten zoals DNA, RNA, proteïnen of zelfs virussen. De BioXp kun je zien als een dvd-speler, waarin je een fysieke dvd moet steken, terwijl de DBC Netflix is. Om de DBC te bouwen, werkte mijn team van wetenschappers met software- en instrumentatie-ingenieurs om meerdere laboratoriumprocedés samen te brengen in één enkele kast. Met daarin software-algoritmen om te voorspellen welk DNA te bouwen, chemie om de G-, A-, T- en C-bouwstenen van DNA samen te voegen tot korte stukjes, Gibson Assembly om die korte stukjes aan elkaar te naaien tot veel langere, en biologie om het DNA om te zetten in andere biologische entiteiten zoals eiwitten.
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.
Dit is het prototype. Mooi was het niet, maar het was wel effectief. Het maakte geneesmiddelen en vaccins. En laboratoriumprocedés die ooit weken of maanden in beslag namen, konden nu in slechts één of twee dagen worden uitgevoerd. Dat alles zonder enige menselijke tussenkomst en eenvoudig geactiveerd door de ontvangst van een e-mail die vanuit overal in de wereld kan worden verzonden. We vergelijken de DBC graag met een faxmachine. Maar terwijl faxapparaten afbeeldingen en documenten ontvangen, ontvangt de DBC biologische materialen. Denk aan de evolutie van faxapparaten. Het prototype van de jaren 1840 is onherkenbaar als je het vergelijkt met de faxapparaten van vandaag. In de jaren 1980 wisten de meeste mensen nog steeds niet wat een fax was, en als ze dat al deden, was het voor hen moeilijk te begrijpen hoe je een beeld aan de andere kant van de wereld direct kon reproduceren. Maar tegenwoordig zit alles wat een faxmachine doet geïntegreerd in onze smartphones, en vinden we die snelle uitwisseling van digitale informatie vanzelfsprekend.
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.
Zo ziet onze DBC er vandaag uit. We stellen ons de DBC-evolutie op een vergelijkbare manier voor als die van de faxapparaten. We werken eraan om het instrument te verkleinen, en om de onderliggende technologie betrouwbaarder, goedkoper, sneller en nauwkeuriger te maken. Nauwkeurigheid is zeer belangrijk bij het synthetiseren van DNA omdat één enkele wijziging van een DNA-letter kan uitmaken of je een geneesmiddel hebt of niet en of een synthetische cel leeft of dood is.
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.
De DBC zal nuttig zijn voor het gedistribueerd vervaardigen van geneesmiddelen vanuit DNA. Elk ziekenhuis in de wereld kan een DBC gebruiken om voor een patiënt gepersonaliseerde geneesmiddelen te printen bij zijn bed. Ik kan me zelfs voorstellen dat mensen het ooit normaal vinden om met hun eigen DBC, verbonden aan computer of smartphone, recepten te downloaden zoals insuline of antilichaam-therapieën. De DBC zal ook waardevol zijn op strategische gebieden in de wereld, voor een snelle reactie op beginnende epidemies. Zo zou de CDC in Atlanta, Georgia, instructies voor griepvaccins kunnen sturen naar een DBC aan de andere kant van de wereld, waar het griepvaccin ter plekke kan worden geproduceerd. Dat griepvaccin zou zelfs specifiek worden afgestemd op het soort griepvirus dat daar circuleert. Vaccins digitaal verzenden, in plaats van het aanleggen van voorraden van diezelfde vaccins en die te verzenden, belooft duizenden levens te gaan redden.
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.
Natuurlijk zullen de toepassingen zo ver gaan als de verbeelding reikt. Je kan je zelfs een DBC op een andere planeet voorstellen. Wetenschappers op aarde zouden dan digitale instructies naar die DBC kunnen sturen om nieuwe medicijnen of synthetische organismen te maken die zuurstof, voedsel, brandstof en bouwmaterialen kunnen produceren om de planeet meer bewoonbaar voor de mens te maken.
(Applause)
(Applaus)
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.
Digitale informatie reist met de snelheid van het licht. Het zou slechts enkele minuten duren om digitale opdrachten van de aarde naar Mars te sturen, maar het zou maanden duren om diezelfde monsters er fysiek met een ruimteschip naartoe te brengen. Maar voorlopig zou ik al tevreden zijn om nieuwe geneesmiddelen over de hele wereld rond te sturen, volledig geautomatiseerd en op aanvraag, en daarmee levens te redden bij opkomende infectieziekten en gepersonaliseerde geneesmiddelen tegen kanker af te drukken
Thank you.
voor wie geen tijd heeft om erop te wachten.
Dank je.
(Applause)
(Applaus)