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.
Я расскажу вам о самых удивительных механизмах и о том, чего мы можем добиться с их помощью. Белки́, пример которых вы видите на экране, по сути выполняют все важнейшие функции в нашем теле. Белки переваривают пищу, сокращают мышцы, запускают работу нейронов и иммунной системы. Все биологические процессы — почти все — возможны благодаря белкàм.
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.
Белки представляют собой цепь, состоящую из аминокислот. В природе существует 20 аминокислот. Названия некоторых вы уже наверняка слышали. На этом слайде, к примеру, каждый шарик — это атом. Из-за химических сил, возникающих между аминокислотами, цепи молекул образуют трёхмерные структуры. Несмотря на то, что процесс кажется хаотичным, на самом деле он чётко организован. Каждый белок всегда образует определённую форму, и этот процесс занимает всего лишь долю секунды. Именно форма белковых молекул позволяет им выполнять удивительные биологические функции. Гемоглобин в лёгких, к примеру, имеет форму, идеально подходящую для захватывания молекулы кислорода. Когда гемоглобин перемещается в мышцы, его форма слегка изменяется и кислород высвобождается.
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.
Форма белков и, следовательно, их функции полностью обусловлены очерёдностью расположения аминокислот в цепочке. На экране буквами обозначены аминокислоты. Чем обусловлена эта очерёдность? Гены определяют расположение аминокислот в составе любого белка. Каждый ген кодирует последовательность аминокислот одного белка. Связь между последовательностями этих аминокислот и структурой и функциями белков известна как «проблема фолдинга белка». Эта проблема достаточно сложна, так как белок может образовывать большое количество форм. Из-за этой сложности нам удалось использовать возможности белков посредством небольших изменений очерёдности расположения аминокислот, существующих в природе.
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.
Этот процесс напоминает то, как наши предки в каменном веке делали инструменты из палок и камней, которые они находили. Но люди не научились летать, видоизменяя птиц.
(Laughter)
(Смех)
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.
Вместо этого учёные на примере птиц изучили принципы аэродинамики. Затем инженеры, используя эти принципы, проектировали летательные аппараты. Аналогичным образом в течение нескольких лет мы работали над изучением основных принципов сворачивания белков и над внесением полученных данных в компьютерную программу «Rosetta». Недавно исследование значительно продвинулось. Теперь мы можем создавать новые белки на компьютере. Как только мы создаём новый белок, мы кодируем очерёдность аминокислот в синтетическом гене. Нужно создавать синтетические гены, так как созданный нами протеин абсолютно новый и в природе нет ни одного организма с геном, кодирующим данный белок.
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.
Углубление понимания процесса белкового фолдинга и создания белков наряду со снижением стоимости генного синтеза и ростом производительности компьютера согласно закону Мура позволяет нам создавать десятки тысяч белков с новыми формами и функциями при помощи компьютера и кодировать каждый белок в синтетическом гене. Затем мы помещаем эти синтетические гены внутрь бактерий и программируем их на производство новых белков. После этого мы извлекаем белки и определяем, выполняют ли они ожидаемые функции и являются ли они безопасными.
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.
Создавать новые белки очень увлекательно, так как несмотря на природное разнообразие, используется лишь малейшая часть всех возможных белков. Как я уже говорил, природа использует 20 аминокислот, а типичный белок состоит из 100 аминокислот. Таким образом число возможных комбинаций составляет 20×20×20×100. Это даёт нам число 10 в 130 степени, что значительно превышает общее число белков, существовавших с возникновения жизни на земле. Теперь, используя компьютерное проектирование, мы можем значительно расширить область исследований.
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.
Белки, существующие в природе, адаптировались так, чтобы решать проблемы естественной эволюции, как, например, репликация ДНК. Но сегодня мы сталкиваемся с новой проблемой. Мы живём дольше, поэтому появляются новые заболевания. Планета нагревается и загрязняется, поэтому мы сталкиваемся с целым рядом экологических проблем. Если бы мы располагали временем, возможно, мы могли бы подождать, пока возникнут новые белки. Но мы не можем ждать миллион лет. Вместо этого, чтобы решить эти проблемы, мы можем создать новые белки с помощью компьютера.
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.
Наша смелая цель — вывести биологию из фазы каменного века посредством технологической революции в дизайне белков. Мы уже доказали возможность создания новых протеинов с новыми функциями и формой. Вакцина, к примеру, стимулирует иммунную систему для того, чтобы та дала отпор патогену. Для более эффективных вакцин мы создали особые белковые частицы, к которым можно присоединить белки патогенов, как этот синий белок респираторного вируса ВСДП. Экспериментальные вакцины, наполненные вирусным белком, как было обнаружено, вызывают гораздо более активную реакцию иммунитета на вирус, чем все ранее тестированные вакцины. Это открытие чрезвычайно важно, так как вирус ВСДП является одной из основных причин детской смертности. Мы также создали белки, расщепляющие глютен в желудке при его непереносимости, и белки, стимулирующие иммунитет при борьбе с раком. Эти научные достижения — начало революции в создании белков.
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.
Нас вдохновила технологическая революция, а именно цифровая, успехи которой были достигнуты в основном в Лабораториях Белла, где царила атмосфера сотрудничества, привлекались талантливые учёные со всего мира. Это привело к череде значительных инноваций: к изобретению транзистора, лазера, спутниковой связи, а также положило начало Интернету. Мы стремимся создать Лаборатории Белла по дизайну белков. Мы хотим привлечь талантливых учёных со всего мира и ускорить процесс революции в создании белков. Мы нацелим своё внимание на пять основных проблем.
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 --
Во-первых, путём извлечения белков из штаммов гриппа по всему миру и помещая их на созданные белковые частицы, которые я продемонстрировал ранее, мы собираемся создать универсальную вакцину против гриппа, одна инъекция которой защитит от гриппа на всю жизнь. Способность создавать...
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Способность создавать новые вакцины при помощи компьютера важна как для защиты от естественных эпидемий гриппа, так и от международных актов биотерроризма.
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.
Во-вторых, мы выходим за рамки природного алфавита, состоящего только из 20 аминокислот, чтобы разработать экспериментальное лечение хронических болей при помощи алфавита, состоящего из тысяч аминокислот.
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.
В-третьих, мы создаём усовершенствованные проводники, способные доставить лекарство именно в то место организма, которое в этом нуждается. К примеру, направить химиотерапию к опухоли или генную терапию к месту, где необходима репарация генов.
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.
В-четвёртых, мы разрабатываем продвинутую терапию, превосходящую современные лекарства, которые действуют слишком грубо. Данная терапия сможет воздействовать на небольшую группу клеток, вызывающую аутоиммунное заболевание, отличая эти клетки от здоровых клеток иммунной системы.
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.
Наконец, вдохновившись биологическими материалами, как, например, шёлк, раковина морского ушка, зубная ткань, теперь мы создаём новые материалы на базе белка, чтобы решить существующие проблемы энергии и экологии.
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.
Для этого мы создаём наш институт. Мы хотим, чтобы энергичные и талантливые учёные со всего мира и на любых стадиях карьеры присоединились к нам. Вы также можете принять участие в революции создания белков через нашу онлайн игру «Foldit». А также через наш проект распределённых вычислений «Rosetta@home», доступный как для ноутбуков, так и для смартфонов системы Android.
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.
Цель моей жизни — сделать мир лучше через создание белков. Вместе мы можем достичь небывалого. Мы ждём вас, спасибо за внимание.
(Applause and cheers)
(Аплодисменты и одобрительные возгласы)