سأخبركم عن أغرب ماكينات في العالم. وما بوسعنا الآن فعله معها. البروتينات، بعضًا مما ترون داخل خليّة هنا، إنها تضطلع بصفة أساسية بكل الوظائف المهمة في أجسامنا. البروتينات تهضم طعامك، تمشّق عضلاتك، تحفّز أعصابك، تقوّي جهازك المناعي. كل شيء يحدث في علم الأحياء... على الأغلب... يحدث بسبب من البروتينات.
I'm going to tell you about the most amazing machines in the world and what we can now do with them. Proteins, some of which you see inside a cell here, carry out essentially all the important functions in our bodies. Proteins digest your food, contract your muscles, fire your neurons and power your immune system. Everything that happens in biology -- almost -- happens because of proteins.
البروتينات هي سلاسل طولية تتشكل من وحدات بنائية تدعى الأحماض الأمينية. في الطبيعة ألفبائية، تتكوّن من 20 حمضًا أمينيـًا. البعض منها ربما سمعت به. على سبيل القياس، في هذه الصورة، كل نتوء عبارة عن ذرة. القوى الكيميائية بين الأحماض الأمينية تخلّف هذه الجزيئات القويّة الطويلة لتلتئم في أشكال فريدة وثلاثية الأبعاد. عملية الالتئام، بينما تبدو عشوائية، في الحقيقة هي غاية في الدقة والإحكام. في كل مرة، يلتئم كل بروتين مع المُناظِر له في الخواص وعملية الالتئام تأخذ فقط جزءًا من الثانية. وتكوينها للبروتينات الذي يمكّنها من الاضطلاع بوظائفها الحيوية المهمة. على سبيل المثال، الهِيمُوغْلُوبِين له شكلٌ في الرئتين ملائم تمامًا لربط جزيء من الأكسجين. حين ينتقل الهيموغلبين إلى عضلاتك، يتغير الشكل بوضوح ويخرج الأكسجين.
Proteins are linear chains of building blocks called amino acids. Nature uses an alphabet of 20 amino acids, some of which have names you may have heard of. In this picture, for scale, each bump is an atom. Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules to fold up into unique, three-dimensional structures. The folding process, while it looks random, is in fact very precise. Each protein folds to its characteristic shape each time, and the folding process takes just a fraction of a second. And it's the shapes of proteins which enable them to carry out their remarkable biological functions. For example, hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited for binding a molecule of oxygen. When hemoglobin moves to your muscle, the shape changes slightly and the oxygen comes out.
أشكال البروتينات، ومن ثمّ وظائفها المهمة، تتحدد كليًا من خلال اصطفاف الأحماض الأمينية داخل سلسلة البروتين. في هذه الصورة، كل وحدة في الأعلى هي لحمض أميني. أين تبدأ الاصطفافات؟ الجينات في سلسلتك الوراثية (الجينوم) تحدد نطاقات الحمض الأميني للبروتينات الخاصة بك. كل جين يرمُز لنطاق الحامض الأميني لكل بروتين مستقل. إن التحوّل بين نطاقات الحامض الأميني هذه وبين بنيوياتها، وبين مهام البروتينات تُعرف بمشكلة التئام البروتين. إنها مشكلة صعبة للغاية لأن هنالك أشكالًا عدة متباينة يمكن أن يتخذها البروتين. بسبب هذا التعقيد، يصبح البشريون قادرين على الاستغلال الأمثل لقوة البروتينات من خلال تعديلات بسيطة جدًا لنطاقات الحامض الأميني للبروتين في صورته الطبيعية.
The shapes of proteins, and hence their remarkable functions, are completely specified by the sequence of amino acids in the protein chain. In this picture, each letter on top is an amino acid. Where do these sequences come from? The genes in your genome specify the amino acid sequences of your proteins. Each gene encodes the amino acid sequence of a single protein. The translation between these amino acid sequences and the structures and functions of proteins is known as the protein folding problem. It's a very hard problem because there's so many different shapes a protein can adopt. Because of this complexity, humans have only been able to harness the power of proteins by making very small changes to the amino acid sequences of the proteins we've found in nature.
هذا شبيه بالعملية التي كان أسلافنا في العصر الحجري يستخدمونها لصناعة الأدوات والأغراض الأخرى من القضبان والأحجار التي نكتشفها في أنحاء العالم. لكنّ البشر لم يتعلموا الطيران بإجراء تعديل في الطيور.
This is similar to the process that our Stone Age ancestors used to make tools and other implements from the sticks and stones that we found in the world around us. But humans did not learn to fly by modifying birds.
(ضحك)
(Laughter)
عوضًا عن ذلك، العلماء، وبوحي من الطيور، توصلوا إلى مبادئ الديناميكا الهوائية. ثم استخدم المهندسون تلك المبادئ لتصميم آلات الطيران. وعلى نحو مشابه، فإننا نعمل لعدد من السنين لكشف المبادئ الأساسية لالتئام البروتين وترميز تلك المبادئ في برنامج حاسوبي يُدعى (روزيتا). لقد حققنا طفرة في السنين الأخيرة. نستطيع الآن تصميم بروتينات جديدة بالكامل على الحاسوب من خلال مسحة. بمجرد تصميم البروتين الجديد، فإننا نرمُز لنطاق حامضِهُ الأميني في جين اصطناعي. علينا أن ننجز جينًا اصطناعيًا لأنه، وبمجرد أن يصير البروتين بالكامل جديدًا، فلن يتواجد أي جين في أي عضو حيوي على الأرض من الموجود حاليًا.
Instead, scientists, inspired by birds, uncovered the principles of aerodynamics. Engineers then used those principles to design custom flying machines. In a similar way, we've been working for a number of years to uncover the fundamental principles of protein folding and encoding those principles in the computer program called Rosetta. We made a breakthrough in recent years. We can now design completely new proteins from scratch on the computer. Once we've designed the new protein, we encode its amino acid sequence in a synthetic gene. We have to make a synthetic gene because since the protein is completely new, there's no gene in any organism on earth which currently exists that encodes it.
إن إحرازنا لتقدّمات في فهم عملية التئام البروتين، وكيفية تصميم البروتينات، يتلازمان مع التقليل من كُلفة اصطناع الجين وقانون (مور) يُزيد من قوة الحوسبة، الآن، يُعطينا القدرة على تصميم عشرات الآلاف من البروتينات الجديدة، مع الأشكال الجديدة والوظائف الجديدة، على الحاسوب، وترميز كل واحد من تلك في جين اصطناعي. بمجرد أن نملك تلك الجينات الاصطناعية نضعها في بكتريا من أجل برمجتها، وتصنيع هذه البروتينات ذات "العلامة التجارية الجديدة." ثم نستخلص البروتينات ونقرر ما إذا كانت تعمل على نحو ما صممناها وما إذا كان آمنة.
Our advances in understanding protein folding and how to design proteins, coupled with the decreasing cost of gene synthesis and the Moore's law increase in computing power, now enable us to design tens of thousands of new proteins, with new shapes and new functions, on the computer, and encode each one of those in a synthetic gene. Once we have those synthetic genes, we put them into bacteria to program them to make these brand-new proteins. We then extract the proteins and determine whether they function as we designed them to and whether they're safe.
إنه لمن المثير أن تكون قادرًا على صنع بروتينات جديدة لأنه وعلى الرغم من التنوع في الطبيعة، فإن التطور يتنمّط في جزء ضئيل من عدد إجمالي للبروتينات لقد أخبرتكم أن الطبيعة تستخدم ألفبائية من 20 حامضًا أمينيًا، وأن البروتين القياسي عبارة عن سلسلة من حوالي 100 حامض أميني، ولذلك فإن الرقم الإجمالي من الاحتمالات يتكون من 20 مرة من 20 مرة لـ20 100 مرة، وهو عدد لنظام من 10 إلى القوة الـ130، وهو أضخم من العدد الإجمالي للبروتينات الذي يتواجد منذ أن بدأ كوكب الأرض. وهذا الفضاء غير المُتصوَر نستطيع الآن اكتشافه باستخدام تصميم البروتين الحاسوبي.
It's exciting to be able to make new proteins, because despite the diversity in nature, evolution has only sampled a tiny fraction of the total number of proteins possible. I told you that nature uses an alphabet of 20 amino acids, and a typical protein is a chain of about 100 amino acids, so the total number of possibilities is 20 times 20 times 20, 100 times, which is a number on the order of 10 to the 130th power, which is enormously more than the total number of proteins which have existed since life on earth began. And it's this unimaginably large space we can now explore using computational protein design.
الآن، البروتينات الموجودة على الأرض تطورت لمعالجة المشاكل التي تواجه التطور الطبيعي. كمثال، تكرار الجينوم (الشفرة الوراثية). ولكننا اليوم نواجه تحديات جديدة. نعيش مدة أطول؛ لذلك فإن الأمراض الجديدة ذات أهمية. نحن نرفعُ من درجة حرارة الأرض، ونلوّث الكوكب، لذلك نحن نواجه مجموعة هائلة من التحديات البيئية. إذا كان لدينا مليون سنة أخرى، لعل البروتينات الجديدة تتطور لمعالجة تلك التحديات. ولكنّا لا نملك ملايين من السنين حتى ننتظر. في المقابل، ومع تصميم البروتين الحاسوبي، فإننا نستطيع تصميم بروتينات جديدة لمعالجة هذه التحديات اليوم.
Now the proteins that exist on earth evolved to solve the problems faced by natural evolution. For example, replicating the genome. But we face new challenges today. We live longer, so new diseases are important. We're heating up and polluting the planet, so we face a whole host of ecological challenges. If we had a million years to wait, new proteins might evolve to solve those challenges. But we don't have millions of years to wait. Instead, with computational protein design, we can design new proteins to address these challenges today.
إن فكرتنا الجريئة تتمحور في نقل علم الأحياء خارج مجال العصر الحجري من خلال الثورة التكنولوجية في تصميم البروتينات. لقد أثبتنا بالفعل أن بمقدورنا تصميم بروتينات جديدة مع أشكال ووظائف جديدة. على سبيل المثال، تعمل اللقاحات بواسطة تنشيط جهازك المناعي لتوليد استجابة قوية ضد مُسَبِب المرض. ولتركيب لقاحات أكثر فعالية، صممنا جسيمات البروتين بحيث نستطيع دمج البروتينات من مسببات المرض، مثل هذا البروتين الأزرق هنا، من فيروس الجهاز التنفسي (آر. إس. في). لاقتراح ترشيحات لقاحية التي هي حرفيًا تتعاضد مع البروتين الفيروسي، نتوصل إلى مثل ترشيحات اللقاح تلك نولّد استجابة مناعية قوية جدًا إزاء الفيروس عن أي لقاحات سابقة كانت قد اختُبرت من قبل. إن هذا مهم للغاية؛ لأن فيروس (آر. إس. في) هو حاليًا واحد من أهم مسببات وفيات الرُضّع حول العالم. كذلك صمّمنا بروتينات جديدة لتبديد الغلوتين في الأمعاء لمواجهة الاضطرابات الهضمية وبروتينات أخرى لتحفيز جهازك المناعي ضد السرطان هذه المميزات هي بداية لثورة تصميم البروتين.
Our audacious idea is to bring biology out of the Stone Age through technological revolution in protein design. We've already shown that we can design new proteins with new shapes and functions. For example, vaccines work by stimulating your immune system to make a strong response against a pathogen. To make better vaccines, we've designed protein particles to which we can fuse proteins from pathogens, like this blue protein here, from the respiratory virus RSV. To make vaccine candidates that are literally bristling with the viral protein, we find that such vaccine candidates produce a much stronger immune response to the virus than any previous vaccines that have been tested. This is important because RSV is currently one of the leading causes of infant mortality worldwide. We've also designed new proteins to break down gluten in your stomach for celiac disease and other proteins to stimulate your immune system to fight cancer. These advances are the beginning of the protein design revolution.
لقد كانت الثورة التكنولوجية مصدرًا لإلهامنا: الثورة الرقمية، التي انطلقت على نطاق واسع بسبب إحراز تطورات في مكان واحد، معامل (بيل) إن معامل (بيل) عبارة عن مكان مع بيئة مواتية وحرّة، وقابلة لجذب المواهب الفذة من أنحاء العالم. وهذا يقود إلى نطاق بارز من المخترعات... الترانزيستور، والليزر، واتصال الأقمار الاصطناعية والأساسات الخاصة بالأنترنت. إن هدفنا هو بناء معامل (بيل) لتصميم البروتين. إننا نبحث عن جذب علماء موهوبين من أنحاء العالم لتسريع ثورة تصميم البروتين، ولنصبح أكثر تركيزًا على تحديات خمسة كبرى.
We've been inspired by a previous technological revolution: the digital revolution, which took place in large part due to advances in one place, Bell Laboratories. Bell Labs was a place with an open, collaborative environment, and was able to attract top talent from around the world. And this led to a remarkable string of innovations -- the transistor, the laser, satellite communication and the foundations of the internet. Our goal is to build the Bell Laboratories of protein design. We are seeking to attract talented scientists from around the world to accelerate the protein design revolution, and we'll be focusing on five grand challenges.
الأول، بأخذ بروتينات من سلالات الأنفلونزا من أنحاء العالم ووضعها في الصدارة من جسيمات البروتين المُصمّمَة لقد أبَنتُ لكم من قبل، إننا نهدف إلى تصنيع لقاح عالمي للأنفلونزا، جرعة واحدة تعطي حصانة مدى العمر ضد الأنفلونزا. إن القدرة على تصميم...
First, by taking proteins from flu strains from around the world and putting them on top of the designed protein particles I showed you earlier, we aim to make a universal flu vaccine, one shot of which gives a lifetime of protection against the flu. The ability to design --
(تصفيق)
(Applause)
إن القدرة على تصميم لقاح جديد على الحاسوب مهمة لكلٍ من التحصين ضد الموجات الوبائية من الأنفلونزا بالإضافة إلى أعمال الإرهاب الدولي البيولوجي.
The ability to design new vaccines on the computer is important both to protect against natural flu epidemics and, in addition, intentional acts of bioterrorism.
الثاني، هو أننا بصدد الذهاب بعيدًا وراء الألفبائية الطبيعية المحدودة ذات الـ20 حامضًا أمينيًا فقط لتصميم ترشيحات دوائية جديدة لحالات مثل الآلام المزمنة، باستخدام ألفبائية لآلاف من الأحماض الأمينية.
Second, we're going far beyond nature's limited alphabet of just 20 amino acids to design new therapeutic candidates for conditions such as chronic pain, using an alphabet of thousands of amino acids.
الثالث، نحن نبني وسائل توصيل متقدمة لتوجيه الأدوية القائمة بدقة إلى حيث الأماكن التي تحتاج الوصول إليها في الجسم. مثلا، العلاج الكيميائي إلى ورم أو علاج الجينات للأنسجة حيث يجب إجراء إصلاح للجينات.
Third, we're building advanced delivery vehicles to target existing medications exactly where they need to go in the body. For example, chemotherapy to a tumor or gene therapies to the tissue where gene repair needs to take place.
الرابع، أننا بصدد تصميم علاجات جديدة بوسعها إجراء عمليات حسابية داخل الجسم، الانطلاق بعيدًا وراء العلوم الطبية الحالية التي هي في الواقع عبارة عن آلات حادة. على سبيل المثال، لاستهداف فرع صغير من خلايا مناعية مسئولة عن اضطراب المناعة الذاتية، وفرزها عن الغالبية العظمى من الخلايا المناعية السليمة.
Fourth, we're designing smart therapeutics that can do calculations within the body and go far beyond current medicines, which are really blunt instruments. For example, to target a small subset of immune cells responsible for an autoimmune disorder, and distinguish them from the vast majority of healthy immune cells.
أخيرًا، بإلهام من المواد الحيوية البارزة مثل الحرير، وصدفة أذن البحر (كائن بحري)، والأسنان، وغيرها، إننا بصدد تصميم بروتينات جديدة مستمدة من العناصر للتعامل مع التحديات في الطاقة وفي القضايا البيئية.
Finally, inspired by remarkable biological materials such as silk, abalone shell, tooth and others, we're designing new protein-based materials to address challenges in energy and ecological issues.
من أجل هذا كله، إننا نعمل على تنمية معهدنا. نسعى لاجتذاب علماء ذوي مواهب، وتنوّع، ومفعمين بالطاقة من أنحاء العالم، في شتى المسارات الوظيفية، للحاق بنا، إنك أيضًا بمقدورك المساهمة في ثورة تصميم البروتين من خلال لعبتنا الخاصة بالالتئام، على الانترنت، (فولديت). أو عبر مشروعنا الحاسوبي المنتشر، (Rosetta@home)، بحيث يكون بمقدورك اللحاق بنا من حاسوبك النقال أو من هاتفك الذكي.
To do all this, we're growing our institute. We seek to attract energetic, talented and diverse scientists from around the world, at all career stages, to join us. You can also participate in the protein design revolution through our online folding and design game, "Foldit." And through our distributed computing project, Rosetta@home, which you can join from your laptop or your Android smartphone.
إن جعل العالم مكانًا أفضل من خلال تصميم البروتين هو شغل حياتي. أنا متحمسٌ بشأن ما يمكننا فعله سويًا. أتمنى أن تلحقوا بنا جمعيًا، وشكرًا لكم.
Making the world a better place through protein design is my life's work. I'm so excited about what we can do together. I hope you'll join us, and thank you.
(تصفيق وهتاف)
(Applause and cheers)