Ich möchte Ihnen die erstaunlichen molekularen Maschinen zeigen, die jede lebende Faser Ihres Körpers ausmachen. Moleküle sind wirklich sehr, sehr klein. Und mit klein, da meine ich, dass sie kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, so dass wir sie nicht direkt beobachten können. Die Wissenschaft gibt uns eine ziemlich gute Vorstellung, was auf molekularer Ebene passiert. Wir können Ihnen also von den Molekülen erzählen, aber wir haben keine Möglichkeiten, Ihnen diese direkt zu zeigen.
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.
Eine Herangehensweise wäre, ein Bild zu zeichnen. Und diese Idee ist in Wirklichkeit nichts neues. Wissenschaftler haben immer Bilder eingesetzt, um ihren Denk- und Entdeckungsprozess zu unterstützen. Sie haben Bilder davon gemacht, was sie mit Ihren Augen durch Apparate wie Teleskope und Mikroskope beobachteten, und außerdem über die Dinge, über die sie nachdachten. Ich habe zwei bekannte Beispiele herausgesucht, weil diese für den Ausdruck von Wissenschaft mithilfe der Kunst bekannt sind.
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.
Und ich möchte mit Galileo beginnen, der das erste Teleskop der Welt benutzte, um den Mond anzusehen. Und er hat unser Verständnis des Mondes verändert. Die Wahrnehmung im 17. Jahrhundert war, dass der Mond eine perfekte Himmelssphäre darstellte. Aber Galileo sah eine steinige, kahle Welt, welche er durch ein Aquarellgemälde abbildete.
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.
Ein anderer Wissenschaftler mit bahnbrechenden Ideen, der Superstar der Biologie, war Charles Darwin. Und mit diesem berühmten Eintrag in sein Notizbuch beginnt er in der linken oberen Ecke mit, "Ich denke" und skizziert dann den ersten Lebensbaum, der seine Wahrnehmung ist wie alle Spezies, alle lebenden Dinge auf der Erde durch die Evolution miteinander verbunden – die Entstehung der Spezies durch natürliche Auslese und Divergenz zu der Ahnenpopulation.
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.
Selbst als Wissenschaftler ging ich zu Vorlesungen von Molekularbiologen und fand diese absolut unverständlich, mit der ganzen technischen Sprache und dem Jargon, mit dem sie ihre Arbeit beschreiben, jedenfalls, bis ich die Kunst von David Goodsell entdeckte, der ein Molekularbiologe am Scripps-Institut ist. In seinen Bildern ist alles akkurat und alles maßstabsgerecht und seine Arbeit machte mir klar, wie die molekulare Welt in uns aussieht.
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.
Dies ist ein Schnitt durch unser Blut. In der oberen linken Ecke sehen Sie ein gelb-grünes Areal. Das sind Flüssigkeiten im Blut, zum Großteil ist das Wasser, aber da sind auch Antikörper, Zucker, Hormone und so weiter. Die rote Region ist ein Schnitt durch eine Blutzelle. Und diese roten Moleküle sind das Hämoglobin. Sie sind wirklich rot; sie geben dem Blut seine Farbe. Hämoglobin ist wie ein molekularer Schwamm, der den Sauerstoff in Ihren Lungen aufsaugt und dann in die verschiedenen Teile Ihres Körpers trägt.
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.
Ich wurde vor einigen Jahren stark durch dieses Bild inspiriert und fragte mich, ob wir Computergrafiken nutzen könnten um die molekulare Welt abzubilden. Wie würde das aussehen? Und so fing es an. Also lassen Sie uns beginnen.
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.
Dies ist DNA in ihrer klassischen Doppelhelixform. Das Bild stammt von einer Röntgenkristallographie, es ist also ein akkurates Modell der DNA. Wenn wir die Doppelhelix in ihre zwei Stränge auflösen, sehen Sie, dass diese Dinge wie Zähne aussehen. Dies sind die Buchstaben des genetischen Codes, der 25.000 Gene, die in Ihre DNA geschrieben sind. Das meint man also, wenn man über den genetischen Code spricht – darüber wird dann gesprochen. Aber ich möchte über einen Aspekt der DNA-Forschung sprechen, und das ist die physische Erscheinung der DNA. Es sind diese beiden Stränge, die entgegengesetzt verlaufen, aus Gründen, auf die ich jetzt nicht eingehen kann. Sie verlaufen physisch in entgegengesetzte Richtungen, was einiges an Problemen für Ihre Zellen mit sich bringt, wie Sie gleich sehen werden, vor allem, wenn es um das Kopieren von DNA geht.
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.
Was ich Ihnen jetzt zeigen werde, ist eine genaue Darstellung der DNA-Kopiermaschine und davon, was genau jetzt in Ihrem Körper passiert, zumindest nach Erkenntnissen der Biologie aus dem Jahr 2002. Die DNA betritt die Produktionsstraße von der linken Seite und trifft auf diese Struktur, biomechanische Mini-Maschinen, die den DNA-Strang auseinandernehmen und eine exakte Kopie anfertigen. Also die DNA kommt hinein und trifft auf diese blaue, gekringelte Struktur. Sie wird dort in zwei Stränge gerissen. Ein Strang kann direkt kopiert werden und Sie können sehen, dass hier etwas nach unten abgewickelt wird. Aber für den anderen Strang ist das nicht so einfach, weil er rückwärts kopiert werden muss. Also wird er wiederholt in Schleifen gelegt und ein Abschnitt nach dem anderen wird kopiert, um so zwei neue DNA-Moleküle zu schaffen.
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.
Es gibt Milliarden dieser Maschinen, die gerade in Ihnen arbeiten, die Ihre DNA mit einer unglaublichen Genauigkeit kopieren. Das ist eine genaue Darstellung und hat das ungefähre Tempo des Originalvorgangs in Ihrem Körper. Ich habe die Fehlerkorrektur und einige anderen Dinge ausgelassen. Dies ist die Arbeit von vor einigen Jahren. Danke.
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--
Dies ist die Arbeit von vor einigen Jahren,
Thank you.
aber als nächstes zeige ich Ihnen aktuelle Forschung und Technologie. Also beginnen wir wieder mit der DNA. Und es wackelt dort aufgrund der Suppe von Molekülen, die ich weggelassen habe, damit Sie etwas sehen können. DNA ist ungefähr zwei Nanometer breit, was ziemlich winzig ist. Aber in jeder unserer Zellen ist jeder DNA-Strang um die 30 bis 40 Millionen Nanometer lang. Um die DNA geordnet und den Zugang zum Gencode reguliert zu halten, ist es um diese lila Proteine gewickelt – bzw. ich habe diese lila markiert. Es ist verpackt und aufgewickelt. Dieser komplette Ausschnitt ist ein einzelner DNA-Strang. Dieses riesige DNA-Paket nennt man ein Chromosom. Wir kommen gleich auf Chromosome zurück.
(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.
Wir vergrößern das Blickfeld, wir zoomen raus, durch eine nukleare Pore, welche der Zugang zu dem Teil, der die DNA beherbergt, ist und Nukleus genannt wird. Dieser gesamte Anblick ist ungefähr ein Semester Biologiestudium wert, ich habe sieben Minuten. Wir werden dies also nicht alles heute durchnehmen können? Nein, sagt man mir, "Nein".
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."
So sieht eine lebende Zelle durch ein Lichtmikroskop aus. Und es ist im Zeitraffer gefilmt, daher können wir sehen, wie es sich bewegt. Die nukleare Hülle reißt auf. Wir konzentrieren uns auf diese wurstförmigen Dinger, die Chromosomen. Sie durchlaufen dieses sehr auffällige Bewegungsmuster, das sich auf die roten Punkte konzentriert. Wenn die Zelle bereit ist loszulegen, reißt es die Chromosome auseinander. Ein Teil der DNA geht auf die eine Seite, die andere Seite bekommt das DNA-Gegenstück – beides sind identische Kopien. Und dann zerteilt die Zelle sich in der Mitte. Und noch einmal, Sie haben Milliarden von Zellen, die diesen Prozess genau jetzt in Ihnen vollziehen.
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.
Jetzt spulen wir zurück und konzentrieren uns auf die Chromosomen, schauen uns ihre Architektur an und beschreiben diese. Hier ist wieder der Moment der Teilung. Die Chromosomen reihen sich auf. Und wenn wir nur ein einzelnes Chromosom betrachten, wir ziehen es heraus und schauen uns seine Struktur an. Es ist eine der größten molekularen Strukturen, die Sie in sich haben, jedenfalls soweit wir das bis jetzt entdeckt haben. Dies ist ein einzelnes Chromosom. Und Sie haben zwei DNA-Stränge in jedem Chromosom. Einer ist zu einem Würstchen verwickelt. Der andere zu dem anderen Würstchen.
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.
Diese Dinger, die so ähnlich wie Schnurrhaare aussehen und aus beiden Seiten ragen, sind die dynamischen Baugerüste einer Zelle. Sie heißen Mikrogefäße. Aber das ist unwichtig. Wir konzentrieren uns auf die rote Region – ich habe sie rot makiert – und es ist die Schnittstelle zwischen den dynamischen Baugerüsten und den Chromosomen. Es ist offensichtlich von zentraler Bedeutung für die Bewegung des Chromosoms. Wir haben keinen Schimmer, wie es diese Bewegung bewerkstelligt.
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.
Wir haben dieses Ding studiert, es wird Bewegungskern genannt. Nach einhundert Jahren intensiver Studien sind wir immer noch ganz am Anfang zu verstehen, worum es überhaupt geht. Es besteht aus 200 verschiedenen Proteintypen, das macht Tausende von Proteinen ingesamt. Es ist ein System zur Signalübertragung. Es überträgt durch chemische Signale und sagt so dem Rest der Zelle, wann es bereit ist, wann es fühlt, dass alles aufgereiht und bereit zur Aufspaltung der Chromosomen ist. Es kann sich an wachsende und schrumpfende Mikrogefäße ankoppeln.
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.
Es spielt selbst beim Wachstum von Mikrogefäßen eine Rolle und ist fähig, kurzzeitig an diesen anzukoppeln. Es ist außerdem in der Lage, Aufmerksamkeit zu spüren. Es spürt, wenn die Zelle bereit ist, wenn die Chromosomen ihre Position eingenommen haben. Hier wird es grün, weil es merkt, dass alles genau richtig ist. Und Sie sehen, dort ist das letzte kleine Stück, das noch rot ist. Und es wird durch die Mikrogefäße abgeleitet. Das ist das Stopsignal des Signalübertragungssystems. Es wird abgeleitet, und das auf mechanische Weise. Es ist ein molekulares Uhrwerk.
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.
So funktionieren Sie auf molekularer Ebene. Als molekularen Augenschmaus haben wir hier die Kinesine, welche orange sind. Sie sind kleine molekulare Kuriere, die in eine Richtung laufen. Und dies sind die Dynien. Sie tragen das Übertragungssystem. Sie haben lange Beine, um Hindernisse umgehen zu können und so weiter. Noch einmal, dies sind alles akkurate, wissenschaftliche Ableitungen. Das Problem ist, dass es keine andere Möglichkeit gibt, dies darzustellen.
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.
An neuem wissenschaftlichem Wissen zu arbeiten, sich an den Grenzen menschlichen Wissens zu bewegen, es ist überwältigend. Diese Dinge zu entdecken ist sicherlich ein angenehmer Anreiz des wissenschaftlichen Arbeitens. Aber die meisten medizinischen Forscher – die Entdeckung dieser Dinge ist einfach ein Schritt auf dem Weg zu großen Zielen, wie Krankheiten auszumerzen, wie Leiden und Miseren zu beseitigen, die Krankheiten verursachen, wie Menschen aus der Armut zu heben.
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.
Vielen Dank.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)