Ich werde Ihnen von den erstaunlichsten Maschinen der Welt erzählen und was wir mit ihnen tun können. Proteine, von denen Sie hier einige in einer Zelle sehen, führen im Grunde alle wichtigen Funktionen in unserem Körper aus. Proteine verdauen Ihr Essen, kontraktieren Ihre Muskeln, erregen Ihre Neuronen und treiben Ihr Immunsystem an. Alles was in der Biologie passiert -- fast alles -- passiert dank Proteinen.
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.
Proteine sind lineare Ketten aus Bausteinen namens Aminosäuren. Die Natur nutzt ein Alphabet aus 20 Aminosäuren, deren Namen Sie vielleicht schon mal gehört haben. In diesem Bild, als Maßstab, stellt jeder Hubbel ein Atom dar. Chemische Kräfte zwischen den Aminosäuren falten diese Molekülketten zu einzigartigen, dreidimensionalen Strukturen. Der Faltprozess, obwohl er zufällig scheint, ist in Wirklichkeit sehr präzise. Jedes Protein faltet sich jedes Mal zu seiner charakteristischen Form, und der Faltprozess dauert nur den Bruchteil einer Sekunde. Und es sind die Formen der Proteine, die es erlauben, diese bemerkenswerten biologischen Funktionen auszuführen. Zum Beispiel hat Hämoglobin in der Lunge die perfekte Form, um Sauerstoffmoleküle zu binden. Wenn Hämoglobin sich zum Muskel bewegt ändert sich seine Form leicht und der Sauerstoff strömt raus.
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.
Die Formen der Proteine, und damit ihre beindruckenden Funktionen, werden von der Sequenz der Aminosäuren in der Proteinkette bestimmt. In diesem Bild repräsentiert jeder Buchstabe oben eine Aminosäure. Woher kommen diese Sequenzen? Die Gene in Ihrem Genom bestimmen die Aminosäuresequenzen Ihrer Proteine. Jedes Gen kodiert die Aminosäuresequenz eines einzelnen Proteins. Die Translation zwischen den Aminosäuresequenzen und den Strukturen und Funktionen der Proteine ist bekannt als das "Proteinfalt Problem". Es ist ein sehr komplexes Problem, da es so viele Formen gibt, die ein Protein annehmen kann. Wegen dieser Komplexität haben Menschen die Potenz der Proteine nur nutzen können, indem sie sehr kleine Änderungen in den Aminosäuresequenzen der Proteine aus der Natur vornahmen.
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.
Dieser Prozess ist ähnlich zu dem unserer Vorfahren, um Werkzeuge und Anderes aus Stöcken und Steinen herzustellen, die wir in der Welt um uns herum fanden. Aber Menschen haben nicht Fliegen gelernt, indem sie Vögel modifiziert haben.
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.
(Lachen)
(Laughter)
Stattdessen entdeckten wir, inspiriert von Vögeln, die Prinzipien der Aerodynamik. Ingenieure nutzten das dann, um Flugzeuge zu entwerfen. Ähnlich dazu arbeiteten wir etliche Jahre daran, die fundamentalen Prinzipien der Proteinfaltung aufzudecken und diese in ein Computerprogramm namens Rosetta zu kodieren. In den letzten Jahren machten wir einen Durchbruch. Wir können nun komplett neue Proteine von Null an am Computer selbst kreieren. Wenn wir ein neues Protein kreiert haben, kodieren wir seine Aminosequenzen in ein synthetisches Gen. Wir müssen ein synthetisches Gen nehmen, denn weil das Protein komplett neu ist, gibt es kein Gen in einem Organismus, das dieses Protein kodiert.
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.
Unsere Fortschritte im Verständnis der Proteinfaltung und der Herstellung von Proteinen, zusammen mit den sinkenden Kosten der Gensynthese und dem Anstieg der Rechenleistung nach dem Mooreschem Gesetz, erlauben uns nun, am Computer zehntausende neue Proteine zu entwerfen, mit neuen Formen und neuen Funktionen, und jedes einzelne davon in einem synthetischen Gen zu kodieren. Die synthetischen Gene fügen wir dann in Bakterien ein um sie zu programmieren, diese brandneuen Proteine herzustellen. Wir extrahieren dann die Proteine und ermitteln, ob sie die gewünschte Funktion ausführen und ob sie sicher sind.
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.
Es ist spannend, neue Proteine herstellen zu können, da, trotz der Diversität der Natur, die Evolution nur einen winzigen Bruchteil aller möglichen Proteine abgedeckt hat. Ich sagte, dass die Natur ein Alphabet aus 20 Aminosäuren nutzt und ein typisches Protein ist eine Kette aus etwa 100 Aminosäuren also ist die Anzahl der Möglichkeiten 20 mal 20 mal 20, hundert Mal. Das ist eine Zahl in der Größenordnung von etwa 10 hoch 130, was enorm viel mehr ist als die Anzahl aller Proteine, die existiert haben, seit Leben auf der Erde begann. Es ist dieser unvorstellbar große Raum, den wir nun entdecken können dank computergestütztem Proteindesign.
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.
Die Proteine, die auf der Welt existieren, haben sich entwickelt, um die Probleme natürlicher Evolution zu lösen. Zum Beispiel die Replikation des Genoms. Aber heute stehen wir vor neuen Herausforderungen Wir leben heute länger, also sind neue Krankheiten relevant. Wir erhitzen und verschmutzen den Planeten und stehen so vor ganz neuen ökologischen Herausforderungen. Hätten wir eine Million Jahre Zeit, könnten neue Proteine entstehen, um diese Probleme zu lösen. Doch wir haben keine Millionen Jahre Zeit. Stattdessen, mit Computer-Proteindesign, können wir neue Proteine kreieren, um diese Probleme bereits heute anzugehen.
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.
Unsere kühne Idee ist es, die Biologie aus der Steinzeit zu holen, durch technologische Revolution im Proteindesign. Wir haben gezeigt, dass wir neue Proteine mit neuen Formen und Funktionen designen können. Zum Beispiel arbeiten Impfungen, indem sie das Immunsystem stimulieren, um eine starke Reaktion auf einen Krankheitserreger auszulösen. Um bessere Impfstoffe zu machen, haben wir Proteinpartikel designt, an die wir Proteine von Erregern anfügen können, so wie dieses blaue Protein vom respiratorischen Virus RSV. Um Vakzinkandidaten herzustellen, die von dem viralen Protein strotzen, fanden wir, dass solche Vakzinkandidaten eine viel stärkere Immunreaktion auf den Virus hervorrufen als alle vorherigen Impfungen, die getestet wurden. Das ist wichtig, da RSV derzeitig eine der Hauptursachen für Säuglingssterblichkeit weltweit ist. Wir haben auch neue Proteine designt, um Gluten im Magen aufzuspalten bei Zöliakie und andere, um das Immunsystem zu stimulieren und so Krebs zu bekämpfen. Diese Fortschritte sind der Anfang der Revolution des Proteindesigns.
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.
Wir wurden inspiriert von einer früheren technologischen Revolution, der digitalen Revolution, die größtenteils dank Fortschritten an nur einem Ort erfolgte: den Bell Laboratories. Bell Labs war ein Ort mit einer offenen, kollaborativen Umgebung, und konnte Top-Talente aus der ganzen Welt anziehen. Dies führte zu einer beachtlichen Kette von Innovationen -- der Transistor, der Laser, die Satellitenkommunikation und die Grundsteine des Internets. Unser Ziel ist es, das Bell Laboratories des Proteindesigns zu bauen. Wir wollen talentierte Wissenschaftler aus der ganzen Welt anziehen, um die Revolution des Proteindesigns zu beschleunigen, und wir werden uns auf fünf große Herausforderungen konzentrieren.
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.
Zunächst, indem wir Proteine aus Grippeviren der ganzen Welt nehmen und sie auf die designten Proteine legen, wie ich vorhin zeigte, wollen wir eine universelle Grippeimpfung herstellen, bei der eine Dosis einen lebenslangen Schutz gegen die Grippe bietet. Die Fähigkeit --
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 --
(Applaus)
(Applause)
Die Fähigkeit, neue Impfstoffe am Computer zu kreiieren, ist wichtig, zum einen, um uns vor natürlichen Grippeepidemien zu schützen, und zusätzlich um uns gegen Bioterrorangriffe zu verteidigen.
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.
Zweitens werden wir weit über das limitierte Alphabet der Natur gehen, das aus 20 Aminosäuren besteht, um neue Therapien gegen Beschwerden wie chronische Schmerzen zu schaffen, mit einem Alphabet aus Tausenden von Aminosäuren.
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.
Als Drittes bauen wir fortschrittlichere "Transportwagen" um Medikamente an die exakte Stelle zu transportieren, wo sie benötigt werden. Zum Beispiel Chemotherapie zu einem Tumor oder Gentherapie zu dem Gewebe, wo Genreparatur benötigt wird.
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.
Viertens: Wir designen smarte Therapeutik, die Berechnungen im Körper durchführt und weit über derzeitige Medikamente hinausgeht, die wirklich eher stumpfe Waffen sind. Zum Beispiel, um eine kleine Untermenge von Immunzellen anzuvisieren, die eine Autoimmunerkrankung verursachen, und sie von der großen Mehrheit gesunder Immunzellen zu unterscheiden.
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.
Als letztens, inspiriert von besonderen biologischen Materialen wie Seide, Perlmutt, Zahn und anderen, kreiieren wir neue, proteinbasierte Materialien, um Probleme in Bereichen der Energie und Ökologie zu adressieren.
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.
Um dies alles zu tun, entwickeln wir unser Institut. Wir wollen energische, talentierte und vielfältige Wissenschaftler von überall aus der Welt und in allen Karriereetappen einladen, sich uns anzuschließen. Auch Sie können an der Proteindesignrevolution teilnehmen durch unser online Falt- und Designspiel "Foldit." Und durch unser dezentralisiertes Projekt Rosetta@home, dem Sie über Ihren Laptop oder Ihr Smartphone beitreten können.
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.
Durch Proteindesign die Welt zu verbessern ist mein Lebenswerk. Ich freue mich auf das, was wir gemeinsam erreichen können. Ich hoffe Sie machen mit. Vielen Dank.
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.
(Applaus)
(Applause and cheers)