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.
Wat ik jullie ga laten zien, zijn de verbazingwekkende moleculaire machines die het levende weefsel van je lichaam creëren. Nu zijn moleculen heel, heel klein. En met klein bedoel ik heel klein. Ze zijn kleiner dan de golflengte van licht, dus kunnen we ze niet direct waarnemen. Maar door de wetenschap hebben we een redelijk goed idee van wat er aan de hand is op moleculaire schaal. We kunnen praten over moleculen, maar we hebben geen directe manier om moleculen te laten zien.
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.
Een manier om dit op te lossen, is tekeningen maken. Dat doen we al langer. Wetenschappers hebben altijd al gebruik gemaakt van tekeningen als onderdeel van hun denk- en ontdekkingsproces. Ze tekenen wat ze waarnemen met hun ogen, met behulp van technologie, zoals telescopen en microscopen, en ook hoe ze het zich voorstellen. Ik neem twee bekende voorbeelden, zeer bekend omdat ze wetenschap weergeven door middel van kunst.
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.
Ik begin met Galileo, die 's werelds eerste telescoop bouwde om naar de maan te kijken. Hij veranderde ons begrip van de maan. In de perceptie van de 17e eeuw was de maan een perfecte hemelse sfeer. Maar Galilei zag een rotsachtige, dorre wereld, wat hij weergaf in zijn aquarel.
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.
Een andere wetenschapper met zeer grote ideeën is de superster van de biologie, Charles Darwin. Met deze beroemde vermelding in zijn notitieboekje begint hij in de linkerbovenhoek met "Ik denk" en dan schetst hij de eerste boom van het leven. Dat is zijn idee van hoe alle soorten, alle levende wezens op aarde verbonden zijn door evolutionaire geschiedenis: het ontstaan van soorten door natuurlijke selectie en divergentie vanuit een voorouderlijke populatie.
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.
Zelfs als wetenschapper vond ik vaak lezingen door moleculaire biologen volledig onbegrijpelijk door de rare technische taal en jargon waarmee ze hun werk beschreven. Totdat ik de kunstwerken van David Goodsell tegenkwam. Hij is moleculair bioloog aan het Scripps Instituut. Al zijn beelden zijn nauwkeurig en op schaal. Zijn werk toont me hoe de moleculaire wereld in ons eruit ziet.
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.
Dit is een doorsnede door bloed. In de linkerbovenhoek zie je dat geelgroene gebied. Dat stelt de vloeistoffen van het bloed, vooral water dus, voor, maar ook antilichamen, suikers, hormonen, dat soort dingen. Het rode gebied is een doorsnede door een rode bloedcel. Die rode moleculen zijn hemoglobine. Ze zijn echt rood en geven het bloed zijn kleur. Hemoglobine werkt als een moleculaire spons om de zuurstof in je longen op te nemen en mee te nemen naar andere delen van je lichaam.
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.
Dit beeld inspireerde me vele jaren geleden. Ik vroeg me af of we met computerbeeldvorming de moleculaire wereld konden voorstellen. Hoe zou het eruit zien? Zo begon ik eraan. Hier komt het. Dit is DNA in zijn klassieke dubbele-helixvorm.
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.
Het komt van röntgenkristallografie, dus is het een nauwkeurig model van DNA. Als we de krul uit de dubbele helix halen en de twee strengen losmaken, zie je die dingen die lijken op tanden. Dat zijn de letters van de genetische code, de 25.000 genen die in je DNA geschreven staan. Dat is wat ze meestal de genetische code noemen, waar ze het meestal over hebben. Maar ik wil praten over een ander aspect van DNA-wetenschap, namelijk de fysieke aard van DNA. Het zijn twee strengen die in tegengestelde richting lopen om redenen waar ik nu niet kan op ingaan. Maar ze lopen fysiek in tegengestelde richting, met als gevolg een aantal complicaties voor je levende cellen. Vooral dan wanneer DNA wordt gekopieerd.
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.
Ik ga jullie nu een nauwkeurige weergave tonen van de werkelijke DNA-replicatiemachine die aan het werk is in je lichaam, op zijn minst in biologie van 2002. DNA komt van de linkerkant de productielijn binnen. Dan trekt een verzameling biochemische miniatuurmachines de DNA-strengen uit elkaar en maakt er een exacte kopie van. DNA komt een blauwe, donutvormige structuur binnen en wordt uit elkaar gescheurd in twee strengen. Een streng kan direct worden gekopieerd. Je ziet deze dingen er hier onderaan uitkomen. Maar voor de andere streng liggen de zaken niet zo eenvoudig omdat ze achterwaarts moet worden gekopieerd. Ze wordt herhaaldelijk in lussen gegooid en sectie per sectie gekopieerd om twee nieuwe DNA-moleculen te creëren.
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.
Miljarden van deze machines zijn op dit moment in jou aan het werk en kopiëren je DNA met grote getrouwheid. Het is een accurate weergave op ongeveer de juiste snelheid voor wat er in je gebeurt. Foutcorrectie en een heleboel andere dingen heb ik weggelaten.
(Laughter)
Dit is werk van een aantal jaren geleden.
This was work from a number of years ago-- Thank you.
Dank je. Dit is werk van een aantal jaar geleden,
(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.
maar wat nu komt is heet van de naald. We beginnen weer met DNA. Het zit te wriemelen door de omringende soep van moleculen die ik heb weggelaten, zodat jullie wat kunnen zien. DNA is ongeveer twee nanometer breed, echt heel klein. Maar in elk van je cellen is elke DNA-streng ongeveer 30 tot 40 miljoen nanometer lang. Om het DNA georganiseerd te houden en de toegang tot de genetische code te regelen, zit het rond paarse eiwitten gewonden - of liever gezegd heb ik ze hier paars gelabeld. Het is verpakt en gebundeld. Alles in het gezichtsveld wordt ingenomen door één enkele DNA-streng. Dit enorme DNA-pakket heet een chromosoom. Daar komen we dadelijk op terug.
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."
We trekken terug, zoomen uit door een porie van de celkern. Dat is de toegangspoort tot het afgescheiden gedeelte waar alle DNA in zit, namelijk de celkern. Dit gezichtsveld omvat een semester biologie en ik heb zeven minuten. Gaat dat vandaag nog lukken? "Nee", krijg ik te horen, "Nee."
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.
Zo ziet een levende cel er uit onder een lichtmicroscoop. Het werd onder time-lapse gefilmd, daarom kan je het zien bewegen. De kernomhulling verdwijnt. Deze worstvormige dingen zijn de chromosomen. Daarop zullen we ons focussen. Ze ondergaan een zeer opvallende beweging gericht op kleine rode vlekjes. Wanneer de cel zich klaar voelt om te gaan, worden de chromosomen van elkaar gescheurd. Een set DNA gaat naar de ene kant, de andere kant krijgt de andere set DNA - identieke kopieën van DNA. Dan splitst de cel in het midden. Nogmaals, op dit moment ondergaan miljarden cellen dit proces nu in je.
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.
Nu gaan we even terugspoelen, ons richten op de chromosomen, kijken naar de structuur en die beschrijven. Hier vormt zich de 'evenaar'. De chromosomen stellen zich op. We zonderen een chromosoom af, trekken het eruit en werpen een blik op de structuur. Dit is een van de grootste moleculaire structuren die je kan hebben, voor zover wij dat tot nu toe in ons ontdekt hebben. Dit is één chromosoom. Je hebt twee DNA-strengen per chromosoom. Een daarvan is opgewonden tot een worstje, de andere streng tot een ander worstje.
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.
De fijne draden die er aan beide kanten uitsteken, zijn de dynamische steigers van de cel. Ze heten mircrotubuli. Die naam is niet belangrijk. Maar kijk naar het gebied dat ik hier rood heb gemerkt. Het is de schakel tussen de dynamische steigers en de chromosomen. Het speelt duidelijk een centrale rol bij de beweging van de chromosomen. We hebben eigenlijk geen idee hoe die beweging ontstaat.
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.
We bestuderen deze kinetische boog nu al meer dan honderd jaar intens en we staan nog maar aan het begin van het begrijpen ervan. Hij is samengesteld uit ongeveer 200 verschillende soorten eiwitten, duizenden eiwitten in totaal. Hij geeft signalen af. Via chemische signalen vertelt hij de rest van de cel wanneer hij klaar is, wanneer hij voelt dat alles is uitgelijnd en klaar om te gaan voor het scheiden van de chromosomen. Hij is in staat om te koppelen aan de groeiende en krimpende microtubuli.
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.
Hij is betrokken bij de aanmaak van de microtubuli en hij kan er tijdelijk mee koppelen. Het is ook een systeem dat reageert op een situatie. Het is in staat om te voelen wanneer de cel klaar is, wanneer het chromosoom correct is geplaatst. Hier wordt het groen omdat het voelt dat alles klaar is. Maar kijk: een klein laatste stukje blijft rood. Het wandelt weg langs de microtubuli. Doordat het signaal-omroepsysteem het stopsignaal uitzendt. Daar gaat het. Zo mechanisch gaat dat. Het is een moleculaire klok.
This is how you work at the molecular scale. So with a little bit of molecular eye candy,
Zo gaat dat op moleculaire schaal. Nog wat leuke moleculaire dingen
(Laughter)
zijn de kinesinen, die oranje dingen.
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.
Het zijn kleine moleculaire koeriermoleculen die één kant uitlopen. Hier zijn dyneïnen. Ze verzorgen dat omroepsysteem. Met hun lange 'benen' kunnen ze over obstakels heenstappen enzovoort. Nogmaals, dit is allemaal gestoeld op wetenschappelijk onderzoek. Het probleem is dat we het jullie niet op een andere manier kunnen laten zien.
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.
Verkennen aan de grens van de wetenschap, aan de grens van het menselijk begrip is verbluffend. Het ontdekken van deze dingen is zeker een aangename prikkel om wetenschappelijk werk te doen. Maar voor de meeste medische onderzoekers is het ontdekken van deze dingen gewoon een stap op weg naar de grote doelen: ziektes uitroeien, lijden en ellende veroorzaakt door ziekte uitroeien en mensen uit de armoede krijgen.
Thank you.
Dank je.
(Applause)
(Applaus)