Chci vám ukázat úžasné molekulární stroje, které tvoří živou tkáň vašeho těla. Molekuly jsou opravdu, opravdu malé. A tím malé, myslím opravdu malinké. Jsou menší než vlnová délka světla, takže nemáme možnost, jak je pozorovat. Ale věda nám umožňuje udělat si docela dobrou představu o tom, co se tam v molekulárním měřítku děje. Takže vám můžeme skutečně o molekulách vyprávět, ale nemáme opravdu přímý způsob, jak vám molekuly ukázat.
What I'm going to show you are the astonishing molecular machines that create the living fabric of your body. Now molecules are really, really tiny. And by tiny, I mean really. They're smaller than a wavelength of light, so we have no way to directly observe them. But through science, we do have a fairly good idea of what's going on down at the molecular scale. So what we can do is actually tell you about the molecules, but we don't really have a direct way of showing you the molecules.
Můžeme to obejít třeba tím, že namalujeme obrázek. A tento nápad není nikterak nový. Vědci vždy vytvářeli obrázky jako součást svého procesu myšlení a objevování. Malovali obrázky toho, co pozorují svýma očima, prostřednictvím techniky jako jsou dalekohledy a mikroskopy, a rovněž obrázky toho, čím se zabývají ve svých myšlenkách. Vybral jsem dva dobře známé příklady, protože dobře vyjadřují vědecké myšlenky prostřednictvím umění.
One way around this is to draw pictures. And this idea is actually nothing new. Scientists have always created pictures as part of their thinking and discovery process. They draw pictures of what they're observing with their eyes, through technology like telescopes and microscopes, and also what they're thinking about in their minds. I picked two well-known examples, because they're very well-known for expressing science through art.
Začnu s Galileem, který použil první dalekohled na světě, aby se podíval na Měsíc. Změnil tak naše vnímání měsíce. V 17. století panovala představa, že měsíc je dokonalá nebeská koule. Ale Galileo viděl skalnatý, pustý svět, který znároznil svým akvarelem.
And I start with Galileo, who used the world's first telescope to look at the Moon. And he transformed our understanding of the Moon. The perception in the 17th century was the Moon was a perfect heavenly sphere. But what Galileo saw was a rocky, barren world, which he expressed through his watercolor painting.
Dalším vědcem s velmi velkými myšlenkami je Charles Darwin, superstar biologie. Toto je jeho slavný záznam do deníku - začíná v levém horním rohu slovy "Myslím," a potom načrtne svůj první strom života, který zachycuje jeho představy o tom, jak jsou všechny druhy, všechno živé na Zemi, spojené prostřednictvím evoluční historie -- původ druhů prostřednictvím přirozeného výběru a vývoj různých druhů z původní populace.
Another scientist with very big ideas, the superstar of biology is Charles Darwin. And with this famous entry in his notebook, he begins in the top left-hand corner with, "I think," and then sketches out the first tree of life, which is his perception of how all the species, all living things on Earth are connected through evolutionary history -- the origin of species through natural selection and divergence from an ancestral population.
Dokonce jako vědec jsem chodíval na přednášky molekulárních biologů, a považoval jsem je za totálně nesrozumitelné, s tím vším nóbl technickým jazykem a žargonem, který používali při popisování své práce, dokud jsem se nesetkal s uměleckými díly Davida Goodsella, který je molekulárním biologem ve výzkumném ústavu Scripps Institute. Na jeho obrazech je všechno přesné a v měřítku. Jeho práce mi osvětlila, jak vypadá molekulární svět uvnitř nás.
Even as a scientist, I used to go to lectures by molecular biologists and find them completely incomprehensible, with all the fancy technical language and jargon that they would use in describing their work, until I encountered the artworks of David Goodsell, who is a molecular biologist at the Scripps Institute. And his pictures -- everything's accurate and it's all to scale. And his work illuminated for me what the molecular world inside us is like.
Toto je průřez krví. V levém horním rohu, to je ta žlutozelená oblast, jsou tekuté součásti krve, což je zejména voda, ale patří sem i protilátky, cukry, hormony a podobné věci. A ta červená oblast, to je řez červenou krvinkou. Ty červené molekuly, to je hemoglobin. Jsou opravdu červené, to je to, co dává krvi její barvu. Hemoglobin funguje jako molekulární houba, která nasákne kyslík z vašich plic a potom ho přenese do dalších částí těla.
So this is a transection through blood. In the top left-hand corner, you've got this yellow-green area. The yellow-green area is the fluid of blood, which is mostly water, but it's also antibodies, sugars, hormones, that kind of thing. And the red region is a slice into a red blood cell. And those red molecules are hemoglobin. They are actually red; that's what gives blood its color. And hemoglobin acts as a molecular sponge to soak up the oxygen in your lungs and then carry it to other parts of the body.
Toto zobrazení mne před mnoha lety velmi inspirovalo a zajímalo mě, jestli bych mohl použít počítačovou grafiku pro zobrazení molekulárního světa. Jak by to vypadalo? A takhle jsem skutečně začal. Takže jdeme na to.
I was very much inspired by this image many years ago, and I wondered whether we could use computer graphics to represent the molecular world. What would it look like? And that's how I really began.
Toto je DNA ve své klasické podobě dvojité šroubovice. Je převzatá z rentgenové krystalografie, takže je to přesný model DNA. Pokud rozvineme dvojitou šroubovici a rozepneme ji jako zip do dvou vláken, vidíme tyto části, které vypadají jako zuby. To jsou písmena genetického kódu, to je těch 25 tisíc genů, které máme zapsané ve své DNA. O tom se obvykle mluví, pokud se řekne genetický kód. Ale chci mluvit o jiném aspektu vědy zabývající se DNA, a to je fyzická povaha DNA. Tato dvě vlákna vedou opačným směrem z důvodů, které teď nemohu vysvětlovat. Ale fyzicky prostě vedou opačnými směry, což vytváří řadu komplikací pro vaše živé buňky, jak za chvíli uvidíte. Zejména v případech, kdy je DNA kopírována.
So let's begin. This is DNA in its classic double helix form. And it's from X-ray crystallography, so it's an accurate model of DNA. If we unwind the double helix and unzip the two strands, you see these things that look like teeth. Those are the letters of genetic code, the 25,000 genes you've got written in your DNA. This is what they typically talk about -- the genetic code -- this is what they're talking about. But I want to talk about a different aspect of DNA science, and that is the physical nature of DNA. It's these two strands that run in opposite directions for reasons I can't go into right now. But they physically run in opposite directions, which creates a number of complications for your living cells, as you're about to see, most particularly when DNA is being copied.
Takže teď vám chci ukázat přesné znázornění skutečného stroje na replikaci DNA, který právě teď pracuje uvnitř vašeho těla. Alespoň podle poznatků biologie z roku 2002. DNA vstupuje na výrobní linku z levé strany a narazí do této sbírky, těchto miniaturních biochemických stroječků, které roztahují vlákno DNA a přesně ho kopírují. Takže DNA vstoupí, narazí do této modré struktury připomínající koblihu a je roztržena na dvě vlákna. Jedno vlákno může být kopírováno přímo a vy můžete vidět jeho části, jak se navíjejí tady dole. Ale pro druhé vlákno to není tak jednoduché, protože musí být kopírováno pozpátku. Takže je opakovaně vhazováno do těchto oblouků a kopírováno kousek po kousku, a tak se vytváří dvě nové molekuly DNA.
And so what I'm about to show you is an accurate representation of the actual DNA replication machine that's occurring right now inside your body, at least 2002 biology. So DNA's entering the production line from the left-hand side, and it hits this collection, these miniature biochemical machines, that are pulling apart the DNA strand and making an exact copy. So DNA comes in and hits this blue, doughnut-shaped structure and it's ripped apart into its two strands. One strand can be copied directly, and you can see these things spooling off to the bottom there. But things aren't so simple for the other strand because it must be copied backwards. So it's thrown out repeatedly in these loops and copied one section at a time, creating two new DNA molecules.
Miliardy těchto strojků právě těď pracují uvnitř vašeho těla a kopírují vaší DNA s dokonalou přesností. Je to přesné znázornění a dost dobře zachycuje i správnou rychlost toho, co ve vás probíhá. Vynechal jsem korekci chyb a pár dalších věcí. Tato práce už je několik let stará. Děkuji Vám.
Now you have billions of this machine right now working away inside you, copying your DNA with exquisite fidelity. It's an accurate representation, and it's pretty much at the correct speed for what is occurring inside you. I've left out error correction and a bunch of other things. (Laughter) This was work from a number of years ago--
Tuto práci jsem už dělal před několika lety,
Thank you.
ale teď vám ukážu nejnovější vědecké poznatky, je to nejnovější technologie. Začneme zase s DNA. Škube se tady a vrtí kvůli polévce z molekul, která ji obklopuje, ale tu jsem dal pryč, abyste mohli něco vidět. DNA má v průřezu asi dva nanometry, takže je opravdu dost tenká. Ale v každé vaší buňce je každé vlákno DNA asi 30 až 40 milionů nanometrů dlouhé. Aby mohla být DNA organizována a aby mohl být regulován přístup ke genetickému kódu, je omotána kolem těchto fialových bílkovin. Já jsem je tu označil fialovou barvou. Je to zabalené do takového balíku. Všechno, co tady vidíte, je jediné vlákno DNA. Tento velký balík DNA se nazývá chromozom. Ke chromozomům se vrátíme za chvilku.
(Applause) This is work from a number of years ago, but what I'll show you next is updated science, it's updated technology. So again, we begin with DNA. And it's jiggling and wiggling there because of the surrounding soup of molecules, which I've stripped away so you can see something. DNA is about two nanometers across, which is really quite tiny. But in each one of your cells, each strand of DNA is about 30 to 40 million nanometers long. So to keep the DNA organized and regulate access to the genetic code, it's wrapped around these purple proteins -- or I've labeled them purple here. It's packaged up and bundled up. All this field of view is a single strand of DNA. This huge package of DNA is called a chromosome. And we'll come back to chromosomes in a minute.
Teď se vzdalujeme, procházíme průduchem jádra, což je taková brána do oddělení, které drží veškerou DNA a kterému říkáme jádro. Všechno to, co vidíte právě teď, představuje asi jeden semestr biologie a já mám sedm minut. Takže to nemůžeme všechno projít dnes? Ne, říkají mi, že "Ne."
We're pulling out, we're zooming out, out through a nuclear pore, which is the gateway to this compartment that holds all the DNA, called the nucleus. All of this field of view is about a semester's worth of biology, and I've got seven minutes, So we're not going to be able to do that today? No, I'm being told, "No."
Takto vypadá živá buňka v mikroskopu. A byla filmována s časovým posunem, takže můžete vidět, jak se hýbá. Obal jádra praskne. Tyto tvary připomínající párky jsou chromozomy a na ně se teď soustřeďme. Pohybují se velmi pozoruhodným způsobem. Pohyb se soustřeďuje do těchto malých červených míst. Když buňka cítí, že je připravena, roztrhne chromozom. Jeden soubor DNA se vydá na jednu stranu, druhý set DNA na druhou stranu -- identické kopie DNA. A pak se buňka oddělí uprostřed. Miliardy buněk právě teď procházejí tímto procesem přímo ve vašem těle.
This is the way a living cell looks down a light microscope. And it's been filmed under time-lapse, which is why you can see it moving. The nuclear envelope breaks down. These sausage-shaped things are the chromosomes, and we'll focus on them. They go through this very striking motion that is focused on these little red spots. When the cell feels it's ready to go, it rips apart the chromosome. One set of DNA goes to one side, the other side gets the other set of DNA -- identical copies of DNA. And then the cell splits down the middle. And again, you have billions of cells undergoing this process right now inside of you.
Teď se vrátíme a soustředíme se jen na chromozomy. Podíváme se na tuto strukturu a popíšeme ji. Tady je opět proces rozdělení buňky uprostřed. Chromozomy se řadí. Pokud izolujeme jen jeden chromozom, vytáhneme ho a podíváme se na jeho strukturu. Toto je jedna z nějvětších molekulárních struktur, kterou máme, alespoň podle toho, co jsme zatím objevili v lidském těle. Takže toto je jeden chromozom. V každém chromozomu jsou dvě vlákna DNA. Jeden je smotaný do jednoho párku. Druhý je smotaný do druhého párku.
Now we're going to rewind and just focus on the chromosomes, and look at its structure and describe it. So again, here we are at that equator moment. The chromosomes line up. And if we isolate just one chromosome, we're going to pull it out and have a look at its structure. So this is one of the biggest molecular structures that you have, at least as far as we've discovered so far inside of us. So this is a single chromosome. And you have two strands of DNA in each chromosome. One is bundled up into one sausage. The other strand is bundled up into the other sausage.
Tyto věci, které vypadají jako kočičí fousky a trčí po obou stranách, to je dynamické lešení buňky. Nazývají se mikrotubule. Jméno není důležité. Ale soustřeďme se na tuto červenou oblast - označil jsem ji červeně - je to rozhraní mezi dynamickým lešením a chromozomy. Je zcela zjevně zásadní pro pohyb chromozomů. Nemáme ovšem ani zdání, jak k tomu pohybu dochází.
These things that look like whiskers that are sticking out from either side are the dynamic scaffolding of the cell. They're called microtubules, that name's not important. But we're going to focus on the region labeled red here -- and it's the interface between the dynamic scaffolding and the chromosomes. It is obviously central to the movement of the chromosomes. We have no idea, really, as to how it's achieving that movement.
Studujeme tento jev nazvaný kinetochór velmi intenzívně více než sto let a teprve začínáme objevovat jeho význam. Je tvořen asi dvěmy sty různými typy bílkovin, dohromady to jsou tisíce bílkovin. Je to systém vysílající signál. Vysílá prostřednictvím chemických signálů a informuje zbytek buňky, když je připraven, jakmile cítí, že všechno je srovnané a připravené pro oddělení chromozomů. Může se napojit na rostoucí a smršťující se mikrotubule.
We've been studying this thing they call the kinetochore for over a hundred years with intense study, and we're still just beginning to discover what it's about. It is made up of about 200 different types of proteins, thousands of proteins in total. It is a signal broadcasting system. It broadcasts through chemical signals, telling the rest of the cell when it's ready, when it feels that everything is aligned and ready to go for the separation of the chromosomes. It is able to couple onto the growing and shrinking microtubules.
Je zapojen do růstu mikrotubulí a může se na ně postupně napojit. Je to rovněž sledovací systém, který pozná, kdy je buňka připravena, kdy jsou chromozomy ve správné pozici. Tady začíná zelenat, protože cítí, že všechno je správně připraveno. A vidíte, tady je ten poslední kousek, který zůstává stále červený. A ten odchází po mikrotubulích. To je systém vysílající signály a posílá signál stop. A teď odešel. Chci říct, že to je mechanické. Je to molekulární hodinový strojek.
It's involved with the growing of the microtubules, and it's able to transiently couple onto them. It's also an attention-sensing system. It's able to feel when the cell is ready, when the chromosome is correctly positioned. It's turning green here because it feels that everything is just right. And you'll see, there's this one little last bit that's still remaining red. And it's walked away down the microtubules. That is the signal broadcasting system sending out the stop signal. And it's walked away -- I mean, it's that mechanical. It's molecular clockwork.
Tímto způsobem fungujete v molekulárním měřítku. Takže, když to trochu přibarvíme, aby to bylo přitažlivější, máme tu bílkovinu zvanou kinesin, tady jsou oranžové. Jsou to malí molekulární poslíčci, kteří kráčejí jedním směrem. A tady je dynein. Dyneiny přenášejí vysílací systém. Mají dlouhé nohy, aby mohly překročit překážky a podobně. To vše je také přenesno přesně podle vědeckých poznatků. Problém je, že nemáme jinou možnost, jak vám to ukázat.
This is how you work at the molecular scale. So with a little bit of molecular eye candy, (Laughter) we've got kinesins, the orange ones. They're little molecular courier molecules walking one way. And here are the dynein, they're carrying that broadcasting system. And they've got their long legs so they can step around obstacles and so on. So again, this is all derived accurately from the science. The problem is we can't show it to you any other way.
Výzkum na hranici vědy, na hranici lidského porozumění, je ohromující. Tyto objevy jsou jistě příjemnou motivací vědecké práce. Ale většina vědců v medicíně objevuje věci, které jsou malými krůčky na cestě k velkým cílům, jakými jsou vymýtění nemocí, zmírnění utrpení a strádání, které tyto nemoci způsobují, a pomoc lidem z bídy.
Exploring at the frontier of science, at the frontier of human understanding, is mind-blowing. Discovering this stuff is certainly a pleasurable incentive to work in science. But most medical researchers -- discovering the stuff is simply steps along the path to the big goals, which are to eradicate disease, to eliminate the suffering and the misery that disease causes and to lift people out of poverty.
Děkuji Vám.
Thank you.
(Potlesk)
(Applause)