Θα σας πω για τις πιο καταπληκτικές μηχανές στον κόσμο και τι μπορούμε να κάνουμε τώρα με αυτές. Οι πρωτεΐνες, μερικές από τις οποίες βλέπετε εδώ μέσα σε ένα κύτταρο, διεκπεραιώνουν όλες τις σημαντικές λειτουργίες στο σώμα μας. Οι πρωτεΐνες κάνουν πέψη των τροφών, συστέλλουν τους μύες σας, πυροδοτούν τους νευρώνες σας και ενδυναμώνουν το ανοσοποιητικό σας. Ό,τι συμβαίνει στη βιολογία -- σχεδόν -- συμβαίνει λόγω των πρωτεϊνών.
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.
Οι πρωτεΐνες είναι γραμμικές αλυσίδες δομικών στοιχείων που λέγονται αμινοξέα. Η φύση χρησιμοποιεί ένα αλφάβητο από 20 αμινοξέα, μερικά από τα οποία μπορεί να έχετε ακούσει. Σε αυτή την εικόνα, υπό κλίμακα, κάθε προεξοχή αναπαριστά ένα άτομο. Οι χημικές δυνάμεις ανάμεσα στα αμινοξέα κάνουν αυτά τα μακροσκελή μόρια να αναδιπλώνονται σε μοναδικές, τρισδιάστατες δομές. Η διαδικασία αναδίπλωσης, παρόλο που φαίνεται τυχαία, είναι καθορισμένη με μεγάλη ακρίβεια. Κάθε πρωτεΐνη αναδιπλώνεται στο ίδιο χαρακτηριστικό σχήμα κάθε φορά και η διαδικασία αναδίπλωσης γίνεται σε ένα κλάσμα δευτερολέπτου. Είναι αυτό το σχήμα των πρωτεϊνών που τους δίνει τη δυνατότητα να διεκπεραιώνουν τις καταπληκτικές βιολογικές τους λειτουργίες. Για παράδειγμα, η αιμοσφαιρίνη μέσα στους πνεύμονες είναι τέλεια σχηματισμένη για τη δέσμευση ενός μορίου οξυγόνου. Όταν η αιμοσφαιρίνη μπαίνει στους μύες, το σχήμα της αλλάζει ανεπαίσθητα και το οξυγόνο απελευθερώνεται.
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.
Το σχήμα των πρωτεϊνών, και επομένως οι καταπληκτικές τους λειτουργίες, καθορίζονται απόλυτα από την αλληλουχία των αμινοξέων στην πρωτεϊνική αλυσίδα. Σε αυτή τη φωτογραφία, κάθε γράμμα στην κορυφή είναι ένα αμινοξύ. Πώς δημιουργούνται οι αλληλουχίες αυτές; Τα γονίδια του γονιδιώματός σας καθορίζουν τις αλληλουχίες των αμινοξέων μέσα στις πρωτεΐνες. Κάθε γονίδιο κωδικοποιεί την αλληλουχία των αμινοξέων κάθε πρωτεΐνης ξεχωριστά. Η μετάφραση ανάμεσα στις αλληλουχίες και τα αμινοξέα σε δομές και λειτουργίες των πρωτεϊνών είναι γνωστή ως το «πρόβλημα πρωτεϊνικής αναδίπλωσης». Είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα, επειδή υπάρχουν πολλά διαφορετικά σχήματα που μπορεί να πάρει μια πρωτεΐνη. Εξαιτίας αυτής της πολυπλοκότητας, οι άνθρωποι μπόρεσαν να εκμεταλλευτούν το δυναμικό των πρωτεϊνών κάνοντας μόνο πολύ μικρές αλλαγές στις αλληλουχίες των αμινοξέων των πρωτεϊνών που έχουμε βρει στη φύση.
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.
Όπως οι πρόγονοί μας στη Λίθινη εποχή έφτιαχναν εργαλεία και άλλα σκεύη από τα ξύλα και τις πέτρες που βρήκαν στη φύση γύρω μας. Αλλά οι άνθρωποι δεν έμαθαν να πετούν τροποποιώντας πουλιά.
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.
(Γέλια)
(Laughter)
Αντί γι' αυτό, οι επιστήμονες, αντλώντας έμπνευση από τα πουλιά, ανακάλυψαν τις αρχές της αεροδυναμικής. Οι μηχανικοί μετά χρησιμοποίησαν αυτές τις αρχές για να σχεδιάσουν προσαρμοσμένες ιπτάμενες μηχανές. Με παρόμοιο τρόπο, δουλεύουμε εδώ και μερικά χρόνια για να ανακαλύψουμε τις αρχές της πρωτεϊνικής αναδίπλωσης και να κωδικοποιήσουμε αυτές τις αρχές σε ένα λογισμικό που λέγεται Rosetta. Πριν από μερικά χρόνια πετύχαμε μια σημαντική πρόοδο. Μπορούμε τώρα να σχεδιάσουμε νέες πρωτεΐνες από το μηδέν στον υπολογιστή. Μόλις σχεδιάσουμε μια νέα πρωτεΐνη, κωδικοποιούμε την αλληλουχία των αμινοξέων της σε ένα συνθετικό γονίδιο. Πρέπει να δημιουργήσουμε ένα συνθετικό γονίδιο εφόσον η πρωτεΐνη είναι εντελώς καινούρια, δεν υπάρχει γονίδιο σε οποιοδήποτε οργανισμό στη Γη που μπορεί να την κωδικοποιήσει.
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.
Η πρόοδός μας στην κατανόηση της αναδίπλωσης πρωτεϊνών και της σχεδίασης των πρωτεϊνών, σε συνδυασμό με τη μείωση του κόστους της σύνθεσης γονιδίων και τον νόμο του Μουρ για την αύξηση της υπολογιστικής δύναμης των υπολογιστών, μας δίνουν τώρα τη δυνατότητα να σχεδιάσουμε δεκάδες χιλιάδες νέες πρωτεΐνες, με νέα σχήματα και λειτουργίες, στον υπολογιστή, και να κωδικοποιήσουμε κάθε μία από αυτές, σε ένα συνθετικό γονίδιο. Μόλις φτιάξουμε αυτά τα συνθετικά γονίδια, τα βάζουμε σε βακτήρια για να τα προγραμματίσουμε να φτιάξουν αυτές τις καινούριες πρωτεΐνες. Μετά, παίρνουμε τις πρωτεΐνες και εξετάζουμε αν λειτουργούν όπως τις σχεδιάσαμε και αν είναι ασφαλείς.
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.
Είναι συναρπαστικό να μπορείς να φτιάχνεις νέες πρωτεΐνες, διότι παρά τη βιοποικιλότητα της φύσης, η εξέλιξη έχει δημιουργήσει μόνο ένα απειροελάχιστο του συνολικού αριθμού πρωτεϊνών που μπορούν να δημιουργηθούν. Σας είπα ότι η φύση χρησιμοποιεί ένα αλφάβητο από 20 αμινοξέα και μια τυπική πρωτεΐνη είναι μια αλυσίδα από περίπου 100 αμινοξέα, έτσι ο αριθμός πιθανών συνδυασμών είναι 20 επί 20 επί 20, 100 φορές, που είναι ένας αριθμός στην 130η δύναμη του 10 που είναι εξαιρετικά μεγαλύτερος από τον συνολικό αριθμό πρωτεϊνών που έχουν υπάρξει από τότε που η ζωή άρχισε στη Γη. Και είναι αυτό το πέρα από κάθε φαντασίας εύρος που μπορούμε τώρα να εξερευνήσουμε με τον σχεδιασμό πρωτεϊνών με υπολογιστές.
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.
Οι πρωτεΐνες που υπάρχουν στη Γη εξελίχτηκαν για να λύσουν τα προβλήματα της εξέλιξης της φύσης. Για παράδειγμα, ο διπλασιασμός του γονιδιώματος. Αλλά σήμερα αντιμετωπίζουμε νέες προκλήσεις. Ζούμε περισσότερο, άρα νέες αρρώστιες είναι σημαντικές. Θερμαίνουμε και μολύνουμε τον πλανήτη, οπότε αντιμετωπίζουμε πολλές οικολογικές προκλήσεις Αν είχαμε ένα εκατομμύριο χρόνια περιθώριο, μπορεί να εξελίσσονταν νέες πρωτεΐνες για αυτές τις προκλήσεις. Όμως, δεν έχουμε εκατομμύρια χρόνια να περιμένουμε. Αντί γι' αυτό, με την υπολογιστική σχεδίαση πρωτεϊνών μπορούμε να σχεδιάσουμε νέες πρωτεΐνες για να αντιμετωπίσουμε αυτές τις προκλήσεις σήμερα.
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.
Η τολμηρή μας ιδέα είναι να βγάλουμε τη βιολογία από τη Λίθινη εποχή με την τεχνολογική εξέλιξη στη σχεδίαση πρωτεϊνών. Ήδη αποδείξαμε ότι μπορούμε να σχεδιάσουμε νέες πρωτεΐνες με νέα σχήματα και λειτουργίες. Για παράδειγμα, τα εμβόλια λειτουργούν διεγείροντας το ανοσοποιητικό σύστημα, ώστε να έχει ισχυρότερη ανταπόκριση εναντίον ενός παθογόνου. Για να φτιάξουμε καλύτερα εμβόλια, σχεδιάσαμε μόρια πρωτεϊνών στα οποία μπορούμε να συγχωνεύσουμε πρωτεΐνες από παθογόνα, όπως αυτή εδώ η μπλε πρωτεΐνη, από τον αναπνευστικό ιό RSV. Για να φτιάξουμε υποψήφια εμβόλια που είναι γεμάτα από την ιογενή πρωτεΐνη, βρίσκουμε ότι τα υποψήφια εμβόλια αυτού του είδους προκαλούν πολύ ισχυρότερη ανοσοποιητική απόκριση στον ιό από όλα τα προηγούμενα εμβόλια που έχουν δοκιμαστεί. Αυτό είναι σημαντικό επειδή ο RSV είναι τώρα μια από τις σημαντικότερες αιτίες της βρεφικής θνησιμότητας παγκοσμίως. Επίσης, έχουμε σχεδιάσει νέες πρωτεΐνες που διασπούν τη γλουτένη στο στομάχι σας για την αντιμετώπιση της κοιλιοκάκης και άλλες πρωτεΐνες που διεγείρουν το ανοσοποιητικό για να πολεμήσει τον καρκίνο. Αυτές οι πρόοδοι είναι η αρχή της επανάστασης της πρωτεϊνικής σχεδίασης.
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.
Εμπνευστήκαμε από την προηγούμενη τεχνολογική επανάσταση: την ψηφιακή επανάσταση, που συνέβη στο μεγαλύτερο μέρος της λόγω επιστημονικών προόδων σε ένα μέρος. Τα εργαστήρια Bell. Τα εργαστήρια Bell ήταν ένα μέρος με ανοιχτό συνεργατικό περιβάλλον, που μπόρεσε να ελκύσει τα κορυφαία ταλέντα από όλο τον κόσμο. Το γεγονός αυτό οδήγησε σε μια αξιοθαύμαστη σειρά από καινοτομίες -- το τρανζίστορ, το λέιζερ, τη δορυφορική επικοινωνία και τα θεμέλια του διαδικτύου. Σκοπός μας είναι να χτίσουμε τα εργαστήρια Bell της πρωτεϊνικής σχεδίασης. Επιδιώκουμε να προσελκύσουμε ταλαντούχους επιστήμονες από όλο τον κόσμο για να επιταχύνουμε την επανάσταση της πρωτεϊνικής σχεδίασης, και θα εστιάζουμε σε πέντε μεγάλες προκλήσεις.
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.
Κατ΄ αρχάς, παίρνοντας πρωτεΐνες από στελέχη της γρίπης από όλο τον κόσμο και βάζοντας τα πάνω σε σχεδιασμένα πρωτεϊνικά μόρια όπως σας έδειξα πριν, σκοπεύουμε να φτιάξουμε ένα παγκόσμα καθολικό εμβόλιο γρίπης που μία δόση του θα δίνει ισόβια προστασία από τη γρίπη. Η ικανότητα να σχεδιάζουμε --
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 --
(Χειροκρότημα)
(Applause)
Η ικανότητα να σχεδιάζουμε νέα εμβόλια στον υπολογιστή είναι σημαντική για να προστατευτούμε από τις φυσικές επιδημίες γρίπης και, επιπλέον τις σκόπιμες επιθέσεις βιοτρομοκρατίας.
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.
Δεύτερον, ξεπερνάμε κατά πολύ το περιορισμένο αλφάβητο της φύσης από μόνο 20 αμινοξέα για να σχεδιάσουμε νέες υποψήφιες θεραπείες για παθολογικές καταστάσεις όπως ο χρόνιος πόνος, χρησιμοποιώντας ένα αλφάβητο χιλιάδων αμινοξέων.
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.
Τρίτο, φτιάχνουμε οχήματα προηγμένης διανομής για να διανείμουμε υπάρχοντα φάρμακα εκεί που πρέπει να πάνε μέσα στο σώμα. Για παράδειγμα, χημειοθεραπεία σε έναν καρκινικό όγκο ή γονιδιακές θεραπείες στον ιστό που χρειάζεται να γίνει η γονιδιακή επισκευή.
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.
Τέταρτο, σχεδιάζουμε έξυπνες θεραπείες που θα μπορούν να κάνουν υπολογισμούς μέσα στο σώμα ξεπερνώντας κατά πολύ τα τωρινά φάρμακα, που είναι πολύ χοντροκομμένα εργαλεία. Για παράδειγμα, στοχεύοντας ένα μικρό υποσύνολο από κύτταρα του ανοσοποιητικού υπεύθυνα για μια αυτοάνοση διαταραχή, ώστε να τα ξεχωρίσουμε από την πλειονότητα των υγιών ανοσοποιητικών κυττάρων.
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.
Τέλος, εμπνεόμενοι από βιολογικά υλικά με αξιόλογες ιδιότητες όπως το μετάξι, το αμπαλόνε, το δόντι και άλλα, σχεδιάζουμε νέα υλικά βασισμένα σε πρωτεΐνες για να αντιμετωπίσουμε ενεργειακές και οικολογικές προκλήσεις.
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.
Για να πετύχουμε όλα αυτά, μεγαλώνουμε το ινστιτούτο μας. Επιδιώκουμε να προσελκύσουμε δραστήριους, ταλαντούχους και διαφορετικούς επιστήμονες από όλο τον κόσμο, σε οποιαδήποτε φάση της καριέρας τους, να έρθουν μαζί μας. Κι εσείς μπορείτε να συμμετάσχετε στην επανάσταση της πρωτεϊνικής σχεδίασης με το διαδικτυακό παιχνίδι μας αναδίπλωσης και σχεδίασης, «Foldit», και μέσα από το διανεμημένο πρότζεκτ υπολογισμού, Rosetta@home, στο οποίο μπορείτε να συμμετάσχετε από το λάπτοπ ή το Android κινητό σας.
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.
Το να κάνουμε τον κόσμο ένα καλύτερο μέρος μέσω της πρωτεϊνικής σχεδίασης, είναι το έργο ζωής μου. Είμαι ενθουσιασμένος με ότι μπορούμε να κάνουμε μαζί. Ελπίζω να έρθετε μαζί μας και σας ευχαριστώ.
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.
(Χειροκρότημα και επευφημίες)
(Applause and cheers)