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.
Pozwólcie, że opowiem o budowaniu syntetycznych komórek i kopiowaniu życia. Najpierw opowiem krótką historyjkę. W dniu 31 marca 2013 roku otrzymałem z zespołem emaila ze Światowej Organizacji Zdrowia powiadamiający nas, że w Chinach zmarło dwoje ludzi zakażonych wirusem ptasiej grypy H7N9. Spowodowało to obawy globalnej pandemii, wirus szybko roznosił się po całych Chinach. Mimo, że istniały metody wyprodukowania szczepionki i powstrzymania choroby, to w najlepszym razie szczepionka byłaby dostępna za 6 miesięcy. A to dlatego, że jedyną opcją był powolny i przestarzały proces wytwarzania opracowany 70 lat temu.
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.
Wirus należało wyizolować od zarażonych pacjentów, zapakować i przesłać do laboratorium, gdzie wstrzykuje się go do kurzych jaj i inkubuje przez kilka tygodni, żeby przygotować go do wieloetapowego, wielomiesięcznego procesu produkcji. Mój zespół i ja otrzymaliśmy email, ponieważ właśnie wynaleźliśmy drukarkę biologiczną, która pozwala instrukcje dotyczące szczepionki natychmiast pobrać z internetu i wydrukować, niesamowicie przyspieszając produkcję szczepionek i potencjalnie ratując tysiące istnień ludzkich.
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.
Drukarka biologiczna wykorzystuje zdolność do czytania i pisania DNA i zaczyna skupiać uwagę na czymś, co lubimy nazywać biologiczną teleportacją. Jestem biologiem i inżynierem, który buduje różne rzeczy z DNA. Możecie wierzyć lub nie, ale najbardziej lubię rozkładać DNA na części i potem je składać. W ten sposób mogę lepiej zrozumieć, jak funkcjonuje DNA. Mogę edytować i programować DNA, podobnie jak programuje się komputer. Ale moje aplikacje są inne. One tworzą życie. Samokopiujące się żywe komórki oraz szczepionki i leki działają na zasadach uprzednio niemożliwych.
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.
To jest Craig Venter odznaczony Narodowym Medalem Nauki, a to laureat nagrody Nobla - Ham Smith. Tych dwóch ludzi podziela wspólną wizję. Ponieważ wszystkie funkcje i charakterystyki jednostek biologicznych, włączając wirusy i żywe komórki, są wpisane w kod DNA, to mogąc czytać i pisać ten kod DNA, możemy je odtworzyć na odległość. Tak rozumiemy biologiczną teleportację. Celem potwierdzenia tej wizji Craig i Ham postanowili stworzyć, po raz pierwszy w historii, syntetyczną komórkę, zaczynając od kodu DNA w komputerze. Jako poszukujący pracy naukowiec pomyślałem, że nic nie dorówna udziałowi w nowatorskich badaniach.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Genom jest to całość informacji DNA wewnątrz organizmu. W ślad za projektem z 2003 roku "Ludzki Genom", który był międzynarodowym programem naukowym, mającym na celu identyfikację genetycznej sekwencji człowieka, nastąpiła rewolucja genomiki. Naukowcy rozpoczęli doskonalenie technik odczytu DNA, żeby określić sekwencję adenin, cytozyn, tymin i guanin w organizmie. Moja praca była zupełnie inna. Miałem posiąść techniki pisania DNA. Tak jak literat rozpocząłem od pisania krótkich zdań, sekwencji kodu DNA, co wkrótce zmieniło się w pisanie paragrafów, a następnie całych powieści w kodzie DNA, biologicznych instrukcji dla białek i żywych komórek. Żywe komórki to najsprawniejsze maszyny natury do wyrobu nowych produktów. Ich produkcja stanowi 25% całego rynku farmaceutycznego i idzie w miliony dolarów.
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.
Wiedzieliśmy, że pisanie DNA pchnie bioekonomię jeszcze dalej, gdyby tylko dało się programować komórki tak jak komputery. Wiemy również, że pisanie DNA umożliwi biologiczną teleportację..... drukowanie określonego, materiału biologicznego, zaczynając od kodu DNA. Jako krok w kierunku realizacji tych prób zespół nasz postanowił stworzyć, po raz pierwszy, syntetyczną komórkę bakteryjną, rozpoczynając od kodu DNA w komputerze. Syntetyczny DNA jest towarem. Można zamówić fragmenty DNA z wielu firm. Zaczną od 4 butelek z chemikaliami, które tworzą DNA: guaniną, adeniną, tyminą i cytozyną, i zbudują zamówione odcinki DNA.
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."
Od 15 lat moje zespoły rozwijają technologię zespalania tych kawałków DNA w kompletne genomy bakteryjne. Największy skonstruowany przez nas genom zawiera ponad milion liter. To ponad dwa razy więcej niż w przeciętnej powieści. Musieliśmy każdą z tych liter ustawić we właściwej kolejności i bezbłędnie. Umożliwiła nam to procedura, którą próbowałem nazwać "jednoetapową, izotermiczną metodą rekombinacji in vitro".
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Zadziwiająco, społeczności naukowej nie spodobała się ta precyzyjna nazwa i zmieniono ją na Gibson Assembly. Gibson Assembly stał się wzorcem wykorzystywanym w laboratoriach całego świata do budowania krótkich i długich fragmentów DNA.
(Applause)
(Brawa)
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.
Po chemicznym zsyntetyzowaniu kompletnego genomu bakteryjnego następnym wyzwaniem było znalezienie sposobu jego przekształcenia w samodzielną, samokopiującą się komórkę. W naszej metodzie traktowaliśmy genom jako system operacyjny komórki, z komórką zawierającą oprzyrządowanie niezbędne do inicjacji genomu. Metodą prób i błędów rozwinęliśmy procedurę umożliwiającą przeprogramowanie komórek, a nawet przekształcenia gatunków bakterii przez wzajemną wymianę genomów. Technologia transplantacji genomu utorowała drogę do inicjacji genomów napisanych przez naukowców, a nie przez Matkę Naturę. W roku 2010 wszystkie rozwijane przez nas technologie czytania i pisania DNA zebrano razem i ogłosiliśmy utworzenie pierwszej syntetycznej komórki, którą oczywiście nazywamy Synthia.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Odkąd w roku 1995 zsekwencjonowano pierwszy genom bakteryjny, tysiące innych kompletnych genomów zsekwencjonowano i zapisano w komputerowych bazach danych. Praca nad syntetyczną komórką udowodniła koncepcję, że proces ten można odwrócić: ściągnąć z komputera kompletną sekwencję genomu i przekształcić tę informację w samodzielną, samokopiującą się komórkę o oczekiwanych właściwościach konstruowanych gatunków.
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.
Zdaję sobie sprawę, że mogą istnieć obawy co do bezpieczeństwa na tym poziomie genetycznej manipulacji. Ta technologia może przynieść duże korzyści społeczne, ale ma też potencjał wyrządzenia krzywdy. Mając to na uwadze, już przed pierwszym eksperymentem zespół nasz brał pod uwagę opinię publiczną i rząd, żeby razem znaleźć rozwiązania do odpowiedzialnego rozwoju i regulacji tej nowej technologii. Jednym z wyników tych dyskusji było przesiewanie klientów i wszystkich zamówień syntezy DNA, żeby patogeny lub toksyny nie trafiły w złe ręce lub do nieświadomych naukowców. Podejrzane zlecenia są zgłaszane do FBI i innych odpowiednich organów ścigania.
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.
Technologie syntetycznej komórki napędzą następną rewolucję przemysłową i przekształcą przemysł i gospodarkę, rozwiązując globalne wyzwania zrównoważonego rozwoju. Możliwości są nieskończone: można wymyślić ubrania wykonane z odnawialnych źródeł biologicznych, samochody napędzane biopaliwem z projektowanych drobnoustrojów, plastiki wykonane z polimerów rozkładalnych biologicznie i niestandardowe terapie drukowane przy łóżku pacjenta. Ogromne wysiłki tworzenia syntetycznych komórek uczyniły z nas światowych liderów w pisaniu DNA. W ciągu całego procesu znaleźliśmy sposoby szybszego pisania DNA, dokładniejsze i bardziej niezawodne.
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.
Okazało się, że solidność tych technologii umożliwia automatyzację procesu i przeniesienie prac laboratoryjnych z rąk naukowców na maszynę. W roku 2013 zbudowaliśmy pierwszą drukarkę DNA. Nazywa się BioXp. Jest absolutnie konieczna do pisania DNA dla wielu zastosowań opracowywanych przez mój zespół i naukowców z całego świata.
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.
Wkrótce po skonstruowaniu BioXp przyszedł email o panice w Chinach związanej z wirusem ptasiej grypy H7N9. Zespół chińskich naukowców wyodrębnił ten wirus, ustalił sekwencję DNA i wrzucił ją do internetu. Na prośbę rządu USA pobraliśmy sekwencję DNA i w mniej niż 12 godzin wydrukowano ją na BioXp. Nasi partnerzy z firmy Novartis przekształcili syntetyczne DNA w szczepionkę przeciw grypie. W międzyczasie CDC, stosujące technologię z 1940 roku, dalej czekało na przesyłkę wirusa z Chin, żeby rozpocząć metodę opartą na kurzych jajach. Po raz pierwszy z wyprzedzeniem opracowano szczepionkę przeciw grypie dla nowego i potencjalnie niebezpiecznego szczepu. Rząd USA zlecił wykonanie zapasów szczepionki.
(Applause)
(Brawa)
This was when I began to appreciate, more than ever, the power of biological teleportation.
Wtedy naprawdę zacząłem doceniać potęgę biologicznej teleportacji.
(Laughter)
(Śmiech)
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.
Mając to na względzie, zaczęliśmy budować biologiczny "teleporter". Nazywa się DBC. Jest to skrót od digital to biological convertor. W odróżnieniu od BioXp, która wymaga uprzednio wytworzonych krótkich fragmentów DNA, DBS wymaga cyfrowego kodu DNA i przekształca go w jednostki biologiczne, jak DNA, RNA, białka i nawet wirusy. Można sobie wyobrazić BioXp jako odtwarzacz DVD, z niezbędną do działania płytą DVD, podczas gdy DBS jest jak Netflix. Aby skonstruować DBS, mój zespół naukowców współpracował z inżynierami specjalistami, żeby zmieścić różnorakie ciągi pracy w jednym urządzeniu. Są to algorytmy programów przewidujące, które DNA budować, chemia dotycząca budowy części DNA z bloków G,A,T i C, Gibson Assembly do łączenia krótkich części DNA w dłuższe i biologia do przekształcania DNA w inne jednostki biologiczne, jak na przykład białka.
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.
Jest to prototyp. Choć nie był ładny, był skuteczny. Produkował leki i szczepionki. Ciąg prac laboratoryjnych liczony dotąd w tygodniach lub miesiącach można było teraz przeprowadzić w dzień lub dwa. I wszystko to bez jakiejkolwiek interwencji człowieka, aktywowane e-mailem, który można wysłać skądkolwiek w świecie. Podoba się nam porównanie DBC do telefaksu. Ale podczas gdy telefaksy otrzymują obrazy i dokumenty, DBC otrzymuje materiały biologiczne. Zastanówmy się nad rozwojem telefaksów. Prototyp z roku 1840 jest całkowicie niepodobny do dzisiejszych telefaksów. W latach 80. większość ludzi nie wiedziała, co to jest telefaks, a nawet gdy wiedzieli, trudno im było zrozumieć ideę natychmiastowego odtwarzania obrazu po drugiej stronie świata. Dzisiaj funkcjonalność telefaksu mamy w smartfonach i uznajemy tę szybką wymianę informacji za rzecz oczywistą.
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.
A tak wygląda nasz DBC dzisiaj. Sądzimy, że rozwój DBC przypomina rozwój telefaksu. Pracujemy nad zmniejszeniem rozmiaru przyrządu oraz nad tym, żeby leżąca u jego podstaw technologia była skuteczniejsza, tańsza, szybsza i dokładniejsza. Podczas syntezy DNA niezmiernie ważna jest dokładność. Zmiana choćby litery może zadecydować o skuteczności leku lub czy syntetyczna komórka będzie żywa, czy martwa.
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.
DBC pomoże w rozproszeniu produkcji leków zaczynających od DNA. Każdy szpital na świecie może używać DBC do drukowania zindywidualizowanych leków, bezpośrednio przy łóżku pacjenta. Mogę sobie nawet wyobrazić dzień, kiedy za pośrednictwem DBC będziemy się rutynowo łączyć z komputerem lub smartfonem, żeby ściągnąć przepisane leki, jak insulinę czy przeciwciała. Ponadto strategicznie rozmieszczone DBC będą nieocenione przy wybuchach epidemii: Centrum Kontroli i Prewencji Chorób w Atlancie może przesłać instrukcje szczepionki grypy do DBC na drugim końcu świata, żeby szczepionka powstała właśnie tam, gdzie jest potrzebna. Szczepionka grypy może być nawet dopasowana do szczepu grypy, który obejmuje tylko dany teren. Przesyłanie szczepionek jako pliku cyfrowego zamiast fizycznego magazynowania i rozsyłania może uratować tysiące istnień.
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.
Co do innych zastosowań - można puścić wodze wyobraźni. Nie jest trudno wyobrazić sobie umieszczenie DBC na innej planecie. Naukowcy na Ziemi mogliby przesłać cyfrowe instrukcje do tego DBC, żeby zrobić leki lub syntetyczne organizmy wytwarzające tlen, żywność, paliwo czy materiały budowlane jako środki do zagospodarowania tej planety przez ludzi.
(Applause)
(Brawa)
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.
Dla cyfrowej informacji poruszającej się z prędkością światła przesłanie cyfrowej instrukcji z Ziemi na Marsa zajmie kilka minut. Dostarczenie tych samych próbek statkiem kosmicznym trwałoby miesiącami. Na dziś wystarczyłaby mi zautomatyzowana globalna transmisja nowych leków na żądanie, ratujących życie przed nowymi chorobami zakaźnymi, oraz drukowanie zindywidualizowanych leków na raka
Thank you.
dla tych, którzy nie mogą czekać.
Dziękuję.
(Applause)
(Brawa)