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.
מה שאני עומד להראות זה את המכונות המולקולריות מעוררות ההשתאות אשר יוצרות את מארג החיים של גופנו. מולקולות הן ממש, ממש זעירות. וכאשר אני אומר זעירות, אני באמת מתכוון לזה. הן יותר קטנות מאורך גל של אור, כך שאין לנו דרך לראותן ישירות. אבל באמצעות המדע, יש לנו מושג די טוב על מה שמתרחש ברמה המולקולרית. מה שאנו יכולים לעשות זה לספר על מולקולות, אבל אין ביכולתנו להראות ישירות את המולקולות.
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.
אחת הדרכים לעקוף זאת היא לצייר ציורים. אבל אין בזה שום דבר חדש. מדענים תמיד יצרו סקיצות כחלק מתהליך החשיבה והגילוי שלהם. הם מציירים ציורים על מה שרואות עיניהם, בעזרת טכנולגיות כמו טלסקופים ומיקרוסקופים, וגם על המחשבות החולפות במוחם. בחרתי בשתי דוגמאות מאוד ידועות, כי הן ידועות בעבור הבעת מדע באמצעות אמנות.
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.
אתחיל עם גלילאו שהשתמש בטלסקופ הראשון בעולם כדי להביט לעבר הירח. הוא שינה לחלוטין את הבנתנו לגבי הירח. על-פי התפיסה של המאה ה-17, הירח היה כדור שמיימי מושלם. אבל מה שגלילאו ראה היה עולם סלעי שומם, שאותו ביטא דרך ציורי צבעי המים שלו.
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.
מדען אחר בעל רעיונות כבירים, כוכב-העל של ביולוגיה, הוא צ'רלס דארווין. ועם רישום ידוע זה במחברתו, הוא מתחיל בפינה השמאלית העליונה ב-"אני סבור", ואז משרבט סקיצה של עץ החיים הראשון, המבטאת את תפיסתו בנוגע לכיצד כל המינים, כל החי על כדור-הארץ, קשורים באמצעות היסטוריה אבולוציונית -- מוצא המינים באמצעות הברירה הטבעית והתפצלות מאוכלוסיה קדומה משותפת.
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.
אפילו כמדען, כאשר ישבתי בהרצאות שניתנו על-ידי ביולוגים מולקולריים, הן כלל לא היו מובנות לי, עם כל השפה והמושגים הטכניים שהם השתמשו בהם לתיאור עבודתם, עד שנתקלתי בעבודת האמנות של דייויד גודסל, שהוא ביולוג מולקולרי במכון סקריפס. ובתמונותיו, הכל מדוייק ובמידות הנכונות. עבודותיו האירו לי איך נראה העולם המולקולרי מבפנים.
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.
זהו חתך רוחב דם. בפינה השמאלית העליונה, רואים אזור צהוב-ירוק. אזור זה הוא הנוזלים בדם, בעיקר מים, אבל גם נוגדנים, סוכרים, הורמונים ודברים כאלה. והאזור האדום הוא חתך בתוך תא דם אדום. ואותן מולקולות אדומות הן המוגלובין. הן באמת אדומות; זה מה שהופך את הדם לאדום. ההמוגלובין פועל כספוג מולקולרי כדי לספוג את החמצן שבריאות ולשאתו לאיברים אחרים בגוף.
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. So let's begin.
מאוד התרשמתי מתמונה זו לפני שנים רבות, ותהיתי אם ניתן להשתמש בגרפיקה ממוחשבת כדי לתאר את העולם המולקולרי. כיצד הוא ייראה? וכך באמת התחלתי. אז הבה נתחיל. זהו DNA בצורה הקלסית של הסליל הכפול.
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.
זה התקבל מדיפרקציית קרני-X, כך שזה מודל מדוייק של ה-DNA. אם מתירים את הסליל הכפול ופותחים את שני הגדילים שבתוכו, רואים דברים אלה שנראים כמו שיניים. אלה הם האותיות של הקוד הגנטי, 25,000 הגנים הכתובים ב-DNA שלנו. על זה בדרך-כלל מדברים -- הקוד הגנטי -- על זה מדברים. אבל ברצוני לדבר על היבט אחר של מדע ה-DNA, שזה הצורה הפיזית של DNA. אלה שני גדילים הרצים בכיוונים מנוגדים מסיבות שאיני יכול לפרט כרגע. אבל הם מסודרים בכיוונים מנוגדים, דבר היוצר כמה סיבוכים לתאים שלנו, כפי שנראה מייד, במיוחד כאשר DNA עובר שיכפול.
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.
מה שאני עומד להראות הוא תיאור נאמן של מכונת שיכפול DNA הפועלת ממש עכשיו בגופנו, כך לפחות לפי ביולוגיית שנת 2002. ה-DNA נכנס לקו הייצור מצד שמאל, הוא פוגע במערך זה, במכונות הביוכימיות הזעירות הללו, המפרידות את גדילי ה-DNA ויוצרות העתק מדוייק. כך שה-DNA נכנס ופוגע במבנה הכחול בצורת סופגנייה ושני גדיליו מתנתקים. גדיל אחד מועתק ישירות, וניתן לראות מיני דברים עוברים שזירה מחדש למטה. אבל העניין יותר מסובך עם הגדיל השני כי צריך להעתיקו בכיוון הפוך. הוא מושלך שוב ושוב לתוך הלולאות הללו ועובר העתקה של כל מקטע בנפרד, תוך יצירת שתי מולקולות DNA חדשות.
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.
יש מיליארדי מכונות כאלו הפועלות ממש עכשיו בתוכנו, המשכפלות את ה-DNA בדיוק גבוה. זהו תיאור מדוייק, והוא גם במהירות די נכונה של מה שמתרחש בתוכנו. לא הזכרתי תיקון שגיאות ועוד כמה דברים.
(Laughter)
זו היתה עבודה מלפני מספר שנים.
This was work from a number of years ago-- Thank you.
תודה. עבודה זו היא מלפני מספר שנים,
(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.
אבל מה שאציג כעת הוא מדע יותר מעודכן, טכנולוגיה מעודכנת. אז שוב, מתחילים עם DNA. הוא נע ומתנודד בגלל מרק המולקולות שמקיף אותו, שאני הסרתי כדי שתוכלו לראות משהו. ה-DNA הוא כ-2 ננומטר מקצה לקצה, שזה באמת זעיר. אבל בכל אחד מתאינו, אורך כל גדיל DNA הוא כ-30 עד 40 מיליוני ננומטר. לכן כדי לשמור את ה-DNA מאורגן ולהסדיר את הגישה לקוד הגנטי, הוא מלופף סביב הפרוטאינים הסגולים הללו -- בעצם אני סימנתי אותם בסגול. הוא צרור וארוז בחבילה. כל התמונה הזו מראה גדיל בודד של DNA. כל החבילה הענקית הזו של DNA נקראת כרומוזום. נחזור לכרומוזומים עוד מעט.
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."
אנו מתרחקים עכשיו, יוצאים דרך נקבובית הגרעין, שהוא שער הכניסה לחלל זה המכיל את כל ה-DNA והמכונה גרעין התא. כל מה רואים עכשיו זו עבודת סמסטר שלם בביולוגיה, ולי יש רק 7 דקות. אז אנו לא נוכל לעשות זאת היום? לא, אומרים לי שלא.
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.
ככה נראה תא חי תחת מיקרוסקופ אופטי. הוא צולם לאורך זמן ולכן רואים אותו זז. מעטפת הגרעין נקרעת. העצמים בצורת נקניקיות הם הכרומוזומים ונתמקד בהם. הם עושים את התנועות המדהימות האלו המתמקדות בנקודות האדומות האלו. כאשר התא חש שהוא מוכן לזה, הוא תולש את הכרומוזום. קבוצת DNA אחת עוברת לצד אחד, לצד האחר מגיעה קבוצת ה-DNA השניה -- העתקים זהים של DNA. ואז התא מתפצל באמצע. ושוב, ויש לנו מיליארדי תאים העוברים תהליך כזה ממש עכשיו בתוכנו.
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.
כעת נחזור אחורה ונתמקד רק בכרומוזומים, נתבונן במבנה שלהם ונתאר אותם. שוב אנחנו ברגע החציה. הכרומוזומים מסתדרים. נבודד כרומוזום אחד, נוציא אותו ונתבונן במבנהו. זהו מבנה מולקולרי מהגדולים ביותר שקיים, לפחות עד כמה שגילינו עד היום. זהו כרומוזום בודד. יש שני גדילים של DNA בכל כרומוזום. אחד מאוגד בצורת נקניקייה. הגדיל השני מאוגד כנקניקייה אחרת.
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.
הדברים האלה הנראים כזיפים המזדקרים מכל צד הם מערכת הפיגומים הדינמית של התא. הם נקראים מיקרו-צינוריות. השם לא חשוב. אבל נתמקד באזור האדום הזה -- סימנתי אותו באדום -- והוא הממשק בין הפיגומים הדינמיים והכרומוזומים. ברור שהוא מהווה גורם מרכזי בתנועת הכרומוזומים. אין לנו באמת מושג כיצד נוצרת התנועה הזו.
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.
חוקרים את הדבר הזה שנקרא קינטוכור כבר יותר מ-100 שנה בצורה אינטנסיבית, ואנו רק עכשיו מתחילים לגלות על מה מדובר. הוא עשוי מכ-200 סוגי חלבונים שונים, סה"כ אלפי חלבונים. זוהי מערכת שידור אותות. היא משדרת באמצעות אותות כימיים המסמנים לשאר התא שהוא מוכן, כאשר היא מרגישה שהכל ערוך ומוכן לשלב הפרדת הכרומוזומים. היא מסוגלת להיצמד למיקרו-צינוריות המתרחבות ומתכווצות.
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.
היא קשורה להתרחבות המיקרו-צינוריות, והיא מסוגלת להיצמד אליהן ארעית. זו גם מערכת להפניית תשומת לב. היא מסוגלת לחוש מתי התא מוכן, מתי הכרומוזום נמצא בתנוחה הנכונה. כאן רואים שהיא הופכת לירוק כי היא חשה שהכל ערוך ומוכן. וכפי שתראו, יש עוד חלק קטן שעדיין אדום. והוא מתרחק בהליכה על-גבי המיקרו-צינוריות. זוהי המערכת לשידור אותות השולחת אות לעצירה. הוא מתרחק בהליכה. כלומר, זה עד כדי כך מכני. זהו מנגנון-שעון מולקולרי.
This is how you work at the molecular scale. So with a little bit of molecular eye candy,
כך זה עובד ברמה המולקולרית. כך, עם קצת גרפיקה מולקולרית ממוחשבת היפה לעיניים,
(Laughter)
קיבלנו קינזינים, שהם בצבע כתום.
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.
הם מולקולות-שליח קטנות ההולכות לכיוון אחד. והנה כאן הדינאינים. הם נושאים את מערכת השידור. יש להן רגליים ארוכות כדי שיוכלו לדלג על מכשולים וכו'. שוב, כל זה מוצג במדוייק מתוך המחקר המדעי. הבעיה היא שאיננו יכולים להציג לכם זאת בכל דרך אחרת.
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.
גילויים מחזית המדע, מחזית ההבנה האנושית, הם דבר מטריף. גילוי דברים כאלה הוא ללא ספק תמריץ מושך לעסוק במדע. אבל עבור רוב החוקרים ברפואה -- המגלים דברים כאלה, אלה הם רק צעדים קטנים בדרך למטרות הנעלות, שהן ביעור מחלות, ביעור הסבל והיגון שנגרמים בגלל מחלות והוצאת אנשים ממעגל העוני.
Thank you.
תודה.
(Applause)
(מחיאות כפיים)