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.
Позвольте рассказать вам о создании синтетических клеток и о процессе печатания жизни. Но сначала небольшая история. В 2013 году, 31 марта, наш коллектив получили письмо от Всемирной организации здравоохранения, предупреждающее о том, что в Китае умерли двое мужчин. Они погибли вскоре после заражения вирусом причьего гриппа H7N9. Все боялись начала глобальной эпидемии, так как вирус начал быстро распространяться по территории Китая. Хотя и существовали методы получения вакцины от гриппа, способной остановить его распространение, её выпуска можно было ожидать не ранее, чем через полгода. Причина была в замедленном, устаревшем процессе производства вакцины, разработанным более 70 лет назад и единственным на тот момент.
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.
Необходимо было извлечь вирус из клеток инфицированных пациентов, упаковать и послать туда, где учёные могли бы ввести данный вирус в куриные яйца и держать их в инкубаторе несколько недель перед запуском многоступенчатого процесса производства вакцины против гриппа, длящегося месяцы. Нашей команде прислали это письмо, потому что мы незадолго до этого изобрели биологический принтер, позволяющий загрузить вакцину в виде набора команд непосредственно из интернета и распечатать её. Это невероятно ускоряет процесс производства вакцины от гриппа и потенциально способно спасти тысячи жизней.
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.
Биологический принтер улучшает наши навыки в области чтения и создания ДНК и выводит на первый план то, что мы называем биологической телепортацией. Я биолог и инженер, который строит из ДНК. Хотите верьте, хотите нет, моё любимое занятие — разбирать ДНК на части и собирать её заново, чтобы лучше понять, как в ней всё работает. Я редактирую и программирую ДНК подобно программисту, пишущему программу. Но у моих программ есть отличие: они создают жизнь. Самовоспроизводящиеся живые клетки, а также вакцины и медпрепараты — сейчас это возможно как никогда раньше.
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.
Это Крэйг Вентер, некогда награждённый Национальной научной медалью [США], и Хэм Смит, нобелевский лауреат. Эти двое разделяют одно мнение, а именно: если все функции и характеристики всех биологических компонентов, включая вирусы и живые клетки, записаны в коде ДНК и если можно этот код читать и воспроизводить, то значит возможно воссоздание этих компонентов на расстоянии. Это то, что мы подразумеваем под биологической телепортацией. Чтобы это доказать, Крэйг и Хэм впервые взялись за создание синтетической клетки на основе кода ДНК, записанного в компьютере. Что может быть лучше для учёного, ищущего работу и занимающегося инновационными исследованиями?
(Laughter)
(Смех)
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.
Итак, геном — это полный комплект ДНК, находящийся внутри организма. Благодаря проекту по расшифровке гененического кода под названием «Геном человека», осуществлённому международными усилиями в 2003 году, произошла революция в геномике. Учёные начали овладевать техникой чтения ДНК, чтобы определить порядок элементов цепочки A, C, T, и G внутри организма. Но я занимался совершенно иным. Мне надо было овладеть техникой написания ДНК. Подобно писателю, я начал с написания коротких предложений, или последовательностей кода ДНК, но вскоре перешёл к написанию абзацев, а затем и к полноценным романам о ДНК-коде ради создания важных биологических инструкций для белков и живых клеток. Живые клетки — наиболее эффективные механизмы по созданию новых продуктов, на их долю приходится 25 процентов от рынка фармацевтического производства, что составляет миллионы долларов.
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.
Мы понимали, что написание ДНК продвинет биоэкономику гораздо дальше, как только станет возможно программировать клетки как компьютеры. Также мы знали, что это сделает возможной биотелепортацию... печать определённого биоматериала на основе кода ДНК. В качестве шага к реализации этих обещаний наша команда задалась целью создать синтетическую бактериальную клетку на основе кода ДНК, полученного из компьютера. Синтетическая ДНК — предмет потребления. Вы можете заказать небольшие отрезки ДНК у нескольких компаний, они возьмут вот эти четыре бутылки с реагентами, составляющими ДНК — G, A, T, и C, — и сделают очень короткие отрезки ДНК.
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."
В течение примерно 15 лет мои коллеги развивали технологию сшивания таких коротких отрезков ДНК в полные бактериальные геномы. Самый длинный собранный нами геном содержал более одного миллиона букв. Это более, чем вдвое превосходит размер среднего романа, и мы должны были поставить каждую из букв в определённое место, без единой опечатки. Мы добились этого, разработав процедуру, которую я назвал было «методом одноэтапной изотермальной рекомбинации в пробирке».
(Laughter)
(Смех)
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.
Но, к моему удивлению, научному сообществу не понравилось это точное название и мы назвали это «сборка Гибсона». Сейчас сборка Гибсона — эталонный инструмент, используемым в лабораториях всего мира для построения коротких и длинных отрезков ДНК.
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Как только мы химически синтезировали полный бактериальный геном, следующей нашей целью было найти способ превратить его в свободноживущую самовоспроизводящуюся живую клетку. Мы подошли к этому, приняв геном за операционную систему клетки, а её содержимое — за «железо», необходимое для загрузки генома. Путём проб и ошибок мы разработали процедуру перепрограммирования клеток и даже научились преобразовывать одни виды бактерий в другие путём замены генома одной клетки геномом другой. Технология по трансплантация генома открыла путь к возможности загрузки геномов, написанных учёными, а не матерью-природой. В 2010 году, объединив все технологии, разработанные для чтения и написания ДНК, мы создали первую синтетическую клетку, которую, конечно же, назвали Синтией.
(Laughter)
(Смех)
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.
С тех пор, как в 1995 году был оцифрован первый бактериальный геном, тысячи других были подвергнуты той же процедуре и сохранены в компьютерных базах данных. Создание нами синтетической клетки доказывало то, что можно повернуть этот процесс вспять: вытащить из компьютера полную последовательность бактериального генома и преобразовать её в свободноживущую самовоспроизводящуюся клетку со всеми ожидаемыми характеристиками вида, который мы сконструировали.
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.
Теперь мне понятны сомнения в безопасности генетических манипуляций такого уровня. Являясь потенциальным благом для общества, эта технология также способна причинить вред. Понимая это, наш коллектив, ещё до проведения первого эксперимента, начал сотрудничество с правительством и общественностью, чтобы совместно принимать решения в области ответственного развития и регулирования этой новой технологии. Одним из таких решений стало введение проверки каждого клиента и всех его заказов на изготовление синтетической ДНК, дабы убедиться в том, что токсины или возбудители инфекции не созданы руками злодеев или в результате ошибки учёных. Обо всех подозрительных заказах сообщается в ФБР и в соответствующие правоохранительные органы.
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.
Развитие технологии производства синтетических клеток приведёт к очередной промышленной революции, и таким изменениям в экономике которые поспособствуют решению проблем устойчивого развития. Возможности безграничны. Представьте одежду, сделанную из возобновляемого натурального сырья, машины работающие на биотопливе, полученном из сконструированных микробов, пластик, произведённый из биоразлагаемых полимеров, и печать индивидуально созданных лекарств прямо у постели пациента. Интенсивная работа над созданием синтетических клеток сделала нас мировыми лидерами в написании ДНК. Работая над этим, мы нашли более быстрые, точные, а также более надёжные способы написания ДНК.
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.
Наша технология настолько надёжна, что мы готовы автоматизировать процесс и передать лабораторный поток работ из рук учёных машинам. В 2013 году мы сделали первый ДНК-принтер. Он носит название BioXp. Просто незаменимая вещь для печати ДНК во многих областях применения, в которых работает моя группа и учёные по всему миру.
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.
Вскоре после создания BioXp мы получили то письмо, где сообщалось о страшном птичьем гриппе H7N9 в Китае. На тот момент группа китайских учёных уже извлекла вирус, оцифровала ДНК и выложила её в интернет. По просьбе правительства США мы загрузили оцифрованную ДНК и менее чем за 12 часов напечатали её на BioXp. Затем наши коллеги из Novartis быстро начали перерабатывать эту синтетическую ДНК в вакцину от гриппа. Тем временем Центр по контролю и профилактике заболеваний США, при их технологии 40-х годов ХХ века, ожидал вирус из Китая, чтобы начать делать вакцину на основе использования яиц. Впервые у нас была вакцина против нового потенциально опасного штамма гриппа, созданная на опережение, и правительство США заказало эти вакцины для резерва.
(Applause)
(Аплодисменты)
This was when I began to appreciate, more than ever, the power of biological teleportation.
Именно тогда я начал осознавать всю мощь биологической телепортации.
(Laughter)
(Смех)
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.
Естественно, имея это в виду, мы стали создавать биологический телепортатор. Мы назвали его ЦБК — это аббревиатура: конвертер из цифрового в биологический формат. В отличие от BioXP, который начинает с произведённых ранее маленьких частиц ДНК, ЦБК берёт за основу оцифрованный код ДНК и переводит его в биологические компоненты, такие как ДНК, РНК, белки и даже вирусы. Возможно, вы думаете о BioXp как о DVD-плеере, в который требуется вставить реальный DVD-диск, но ЦБК — это скорее Нетфликс. Чтобы сделать ЦБК, мы совместно с программистами и аппаратными инженерами работали над тем, как вместить сложный поток работ, выполняемых в лаборатории, в одну единственную коробку. Что включало в себя программные алгоритмы прогнозирования будущей ДНК, химическую среду для связи G, A, T и С и блоков ДНК в отрезки, сборку Гибсона для сшивания коротких отрезков в длинные и биологическую среду для обращения ДНК в другие биологические компоненты, такие как белки.
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.
Это прототип. Выглядел он так себе, но работал исправно. На нём делали лекарственные средства и вакцины. Лабораторный технологический процесс, некогда длящийся неделями или месяцами, теперь мог быть осуществлён всего лишь за два дня. И всё это без вмешательства человека: достаточно послать на него письмо по электронной почте, что возможно из любой точки мира. Мы любим сравнивать ЦБК с факсимильной машиной. Но в то время как последняя получает изображения и документы, ЦБК получает биоматериалы. Рассмотрим эволюцию факсимильных аппаратов. Прототип этого прибора, сконструированный в 1940-х годах, был мало известен, в отличие от современной версии. В 1980-х годах большинство людей всё ещё не знали, что такое факс-машина, а даже если и знали, им было сложно воспринять идею мгновенного воспроизведения изображения на другом конце планеты. А теперь всё, что делает факс-машина, входит в функции наших смартфонов, и мгновенный обмен цифровой информацией воспринимается как должное.
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.
Вот как выглядит ЦБК сегодня. ЦБК развивается таким же путём, что и факс-машина. Мы работаем над уменьшением размера устройства и тем, чтобы сделать технологию, лежащую в его основе, более надёжной, дешёвой, быстрой и точной. Точность чрезвычайно важна при синтезировании ДНК, потому что единственное изменение буквы ДНК повлияет на то, будет ли лекарство работать или будет ли способна ожить синтетическая клетка.
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.
ЦБК найдёт применение в распределённом производстве лекарств, созданных на основе ДНК. Любая больница мира могла бы использовать ЦБК для печати индивидуально созданных лекарств прямо у постели пациента. Я даже представляю, что будет нормально иметь ЦБК, подключающийся к домашнему компьютеру или смартфону, чтобы загрузить прописанные лекарства, вроде инсулина или иммуноглобулина. ЦБК будет неоценим при его размещении в стратегических зонах планеты для быстрого реагирования на вспышки заболеваний. Например, ЦБК в Атланте, штат Джорджия, передал бы инструкции ЦБК, находящемуся на другом конце Земли, где произвели бы вакцину прямо на передовой борьбы с гриппом. Вакцину можно будет подобрать непосредственно к штамму, распространённому в этом регионе. Рассылка вакцин в цифровом виде, в противовес их накоплению с последующей перевозкой, сулит перспективы спасения тысяч жизней.
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.
Применение ограничено только вашей фантазией. Легко представить ЦБК на другой планете. Учёные с Земли могли бы посылать туда цифровые инструкции, чтобы создавать новые лекарства или новые синтетические организмы, которые произведут кислород, пищу, горючее или стройматериалы, дабы сделать планету более пригодной для жизни людей.
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
При передаче информации со скоростью света отсылка этих цифровых инструкций с Земли на Марс займёт лишь 10 минут. А на физическую доставку этих же образцов космическим кораблём ушли бы месяцы. А пока я был бы рад внедрению трансляции лекарств по миру — по запросу и полностью автоматизированной, — спасающей жизни от возникающих инфекционных заболеваний, и печати индивидуальных лекарств от рака для тех, кто не может ждать.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)