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.
Quello che vi mostrerò sono le incredibili macchine molecolari che creano il tessuto vivente del vostro corpo. Le molecole sono molto, molto piccole. E per piccole, intendo davvero piccole. Sono più piccole della lunghezza d'onda della luce, quindi non c'è modo di osservarle direttamente. Ma attraverso la scienza abbiamo un'idea abbastanza buona di quello che accade su scala molecolare. Quindi quello che possiamo fare è parlarvi delle molecole, ma in realtà non abbiamo un modo diretto di mostrarvele.
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.
Un modo per risolvere il problema è quello di disegnare immagini. Questa idea, in effetti, non è nuova. Gli scienziati hanno sempre creato immagini come parte del loro pensiero e processo di scoperta. Disegnano ciò che vedono con i propri occhi usando tecnologie come telescopi e microscopi, e anche quello che passa per le loro menti. Ho scelto due esempi famosi, perché sono noti per esprimere la scienza attraverso l'arte.
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.
E comincio con Galileo che usò il primo telescopio al mondo per osservare la Luna. Fu lui a trasformare la nostra comprensione della Luna. La percezione nel 17° secolo era che si trattava di una sfera celeste perfetta. Ma ciò che Galileo vide fu un mondo roccioso e arido che espresse attraverso la sua pittura ad acquerello.
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.
Un altro scienziato con idee molto grandi, la superstar della biologia, è Charles Darwin. E con questa voce famosa nel suo taccuino, inizia in alto a sinistra con: "Io penso", e poi traccia il primo albero della vita, che è la sua percezione di come tutte le specie, tutti gli esseri viventi sulla Terra, siano collegati attraverso la storia evolutiva - l'origine delle specie attraverso la selezione naturale e le differenze con una popolazione ancestrale.
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.
Pur essendo uno scienziato, andavo a conferenze di biologi molecolari e le trovavo totalmente incomprensibili, con tutto il linguaggio tecnico sofisticato e il gergo che usavano per descrivere il loro lavoro, finché non ho trovato le opere d'arte di David Goodsell, un biologo molecolare dell'Istituto Scripps. Nei suoi quadri tutto è esatto e in scala. La sua opera mi ha chiarito com'è il mondo molecolare dentro di noi.
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.
Questa è una sezione trasversale del sangue. In alto a sinistra avete questa zona giallo-verde. Sono i fluidi del sangue, che sono prevalentemente acqua, ma anche anticorpi, zuccheri, ormoni, questo genere di cose. La regione rossa è una sezione di un globulo rosso. E quelle molecole rosse sono l'emoglobina. Sono davvero rosse, e danno il colore al sangue. L'emoglobina agisce come una spugna molecolare per assorbire l'ossigeno nei polmoni e poi portarlo in altre parti del corpo.
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.
Diversi anni fa questa immagine mi ha ispirato moltissimo, e mi chiesi se avremmo potuto usare la computer grafica per rappresentare il mondo molecolare. Come sarebbe stato? Quello è stato l'inizio. Allora cominciamo. Questo è il DNA nella sua forma classica a doppia elica.
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.
Proviene dalla cristallografia a raggi X, quindi è un modello accurato di DNA. Se srotoliamo la doppia elica ed estendiamo i due filamenti vedrete queste cose che somigliano a denti. Sono le lettere del codice genetico, i 25.000 geni che sono scritti nel vostro DNA. È questo che si intende di solito quando si parla di codice genetico. Ma io voglio parlare di un altro aspetto della scienza del DNA, cioè della natura fisica del DNA. Questi due filamenti si muovono in direzioni opposte per motivi che non spiegherò adesso. Ma fisicamente vanno in direzioni opposte, creando una serie di complicazioni per le vostre cellule viventi, come vedrete, e in particolare quando il DNA viene copiato.
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.
Quello che vi mostrerò è una rappresentazione accurata della macchina replicatrice di DNA che è in funzione proprio ora nel vostro corpo, almeno per la biologia del 2002. Dunque il DNA entra nella linea di produzione dal lato sinistro, raggiungendo questo gruppo, queste macchine biochimiche in miniatura che separano il filamento di DNA facendone una copia esatta. Quindi il DNA entra e colpisce questa struttura blu a forma di ciambella e i suoi due filamenti si separano. Un filamento può essere copiato direttamente, e potete vedere queste cose arrotolarsi lì in fondo. Ma non è altrettanto semplice per l'altro filamento perché deve essere copiato in senso inverso. Quindi viene espulso ripetutamente in queste anse e copiato una sezione alla volta, creando due nuove molecole di DNA.
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.
Ora ci sono miliardi di macchine come questa che stanno lavorando dentro di voi, facendo copie estremamente fedeli di DNA. È una rappresentazione accurata di ciò che sta avvenendo dentro di voi, più o meno a velocità reale. Ho escluso la correzione di errore e altre cosette.
(Laughter)
Si tratta di un lavoro di qualche anno fa.
This was work from a number of years ago-- Thank you.
Grazie. Questo è un lavoro di alcuni anni fa,
(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.
ma quello che vi mostrerò ora è scienza moderna, tecnologia d'avanguardia. Cominciamo di nuovo con il DNA. Si agita tutto perché è circondato da una zuppa di molecole che ho rimosso in modo da renderlo più visibile. Il DNA ha una sezione di circa due nanometri, che è davvero molto poco. Ma in ognuna delle vostre cellule, ogni filamento di DNA è lungo circa 30-40 milioni di nanometri. Quindi, per mantenere il DNA in ordine e regolare l'accesso al codice genetico, viene avvolto attorno a queste proteine viola - come le chiamo io. È impacchettato e imballato. Tutto quello che vedete è un singolo filamento di DNA. Questo bel pacchetto di DNA si chiama cromosoma. Torneremo ai cromosomi tra un minuto.
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."
Ci allontaniamo, usciamo di qui attraverso un poro nucleare, che è l'accesso a questo comparto che contiene tutto il DNA, detto nucleo. Tutto quello che vediamo è l'equivalente di un semestre di biologia, ma io ho a disposizione 7 minuti. E allora non riusciremo ad approfondirlo adesso? No, ho sentito un "No".
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.
Ecco come appare una cellula vivente al microscopio. È stata filmata in time-lapse, motivo per cui la vedete muoversi. La membrana nucleare si rompe. Queste cose a forma di salsiccia sono i cromosomi, e ci concentreremo su di loro. Si muovono in questo modo sorprendente attorno a quelle macchioline rosse. Quando la cellula si sente pronta, i cromosomi si separano. Una parte di DNA va da un lato, l'altra parte di DNA va dall'altro - copie identiche di DNA. E poi la cellula si divide a metà. Di nuovo, ci sono miliardi di cellule che stanno facendo la stessa cosa nel vostro corpo.
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.
Ora un passo indietro per parlare dei cromosomi e vederne e descriverne la struttura. Eccoci di nuovo al momento della divisione. I cromosomi si allineano. Ora isoleremo un singolo cromosoma, in modo da dare un'occhiata alla sua struttura. È una delle più grandi strutture molecolari del corpo umano, almeno per quello che siamo riusciti a scoprire finora. Dunque questo è un singolo cromosoma. Ci sono due filamenti di DNA in ogni cromosoma. Uno è avvolto a forma di salsicciotto. L'altro filamento forma l'altro salsicciotto.
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.
Questa specie di peluria che spunta da entrambi i lati è l'impalcatura dinamica della cellula. È fatta di innumerevoli microtubuli. Il nome non è importante. Ma noi ci concentreremo su questa zona rossa - che ho evidenziato in rosso - che è l'interfaccia tra l'impalcatura dinamica e i cromosomi. Ovviamente è fondamentale per il movimento dei cromosomi. Non abbiamo proprio idea di come produca questo movimento.
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.
È stata studiata intensamente questa cosa chiamata cinetocore per oltre cent'anni e stiamo iniziando solo ora a capire di cosa si tratta. È composta da circa 200 tipi diversi di proteine, migliaia di proteine in totale. È un sistema di trasmissione del segnale. Trasmette mediante segnali chimici che allertano il resto della cellula quando è pronta, quando sente che tutto è in ordine e pronto per la separazione dei cromosomi. Può legarsi ai microtubuli che si allargano e si riducono.
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.
È coinvolto nella crescita dei microtubuli, ed è capace di unirsi a loro provvisoriamente. È anche un sistema di rilevamento dell'attenzione in grado di percepire quando è pronta la cellula, quando il cromosoma è posizionato correttamente. Qui diventa verde perché percepisce che tutto è a posto. E vedete che c'è un ultimo pezzettino che rimane ancora rosso. E viene inviato lungo i microtubuli. Questo è il sistema di trasmissione del segnale che invia il segnale di stop. E viene spedito. Voglio dire, è una trasmissione meccanica. È un meccanismo molecolare.
This is how you work at the molecular scale. So with a little bit of molecular eye candy,
Ecco come funziona su scala molecolare. Quindi, usando un po' di abbellimento molecolare,
(Laughter)
ecco le chinesine, quelle arancioni.
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.
Sono piccole molecole da trasporto che vanno in una direzione. Ed ecco le dineine che portano il sistema di trasmissione. Hanno lunghe zampe che gli permettono di superare gli ostacoli e così via. Di nuovo, tutto questo è accuratamente derivato dalla scienza. Il problema è che non possiamo mostrarvelo in altri modi.
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.
Esplorare il confine della scienza, la frontiera della conoscenza umana, è incredibile. Scoprire queste cose è sicuramente un incentivo piacevole per fare scienza. Per la maggior parte dei ricercatori medici però, fare delle scoperte è solo uno dei passi nel cammino verso i grandi obiettivi, che sono sradicare la malattia, eliminare la sofferenza e la miseria che la malattia causa e uscire dalla povertà.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)