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.
Det jag ska visa er är de häpnadsväckande molekylära maskiner som skapar vår kropps levande struktur. Molekyler är ju riktigt, riktigt små. Och med små, menar jag riktigt små. De är mindre än en våglängd av ljus, så vi har inget sätt att observera dem direkt. Men genom vetenskapen har vi ändå en ganska god uppfattning om vad som sker nere på den molekylära nivån. Så vad vi kan göra är att faktiskt berätta för er om molekylerna, men vi har egentligen inte någon direkt metod för att visa er molekylerna.
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.
Ett sätt runt detta är att rita bilder. Och denna idén är faktiskt inte något nytt. Vetenskapsmän har alltid skapat bilder som en del av deras tänkande och upptäcktsprocesser. De ritar bilder av det som de observerar med sina ögon, genom teknologi såsom teleskop och mikroskop, och även vad de tänker på i sina sinnen. Jag valde två välkända exempel, därför att de är välkända för att uttrycka vetenskap genom konsten.
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.
Och jag börjar med Galileo som använde världens första teleskop för att se på månen. Och han förvandlade vår förståelse av månen. Uppfattningen på 1600-talet var att månen var en perfekt himlasfär. Med det Galileo såg var en stenig, karg värld, som han uttryckte i sina akvareller.
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.
En annan vetenskapsman med väldigt stora idéer, biologins superstjärna, är Charles Darwin. Och med denna kända noteringen i sin anteckningsbok börjar han i övre vänstra hörnet med, "Jag tror," och sedan skissar han fram det första livets träd, som är hans uppfattning av hur alla arter, allt levande på jorden, förenas genom evolutionens historia -- arternas ursprung genom naturligt urval och förändringar från en urgammal population.
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.
Till och med som vetenskapsman brukade jag gå på föreläsningar med molekylärbiologer och finna dem komplett obegripliga, med allt det fina språket och jargongen som de använde när de beskrev sitt arbete, tills jag mötte David Goodsells konstverk, som är molekylärbiolog på Scripps-institutet. Och hans bilder, allting är korrekt och skalenligt. Och hans arbete fick mig att förstå hur den molekylära världen inom oss ser ut.
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.
Så detta är ett tvärsnitt genom blod. I det övre vänstra hörnen finns det här gul-gröna området. Det gul-gröna området är blodets vätska, som är mest vatten, men det är också antikroppar, sockerarter, hormoner, den sortens saker. Och det röda området är ett snitt in i en röd blodkropp. Och de röda molekylerna är hemoglobin. De är verkligen röda; det är det som ger blodet dess färg. Och hemoglobinet fungerar som en molekylär svamp för att suga upp syret i lungorna och sedan transportera det till andra delar av kroppen.
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.
Jag inspirerades väldigt av denna bilden för många år sedan, och jag undrade om vi skulle kunna använda datorgrafik för att avbilda den molekylära världen. Hur skulle det se ut? Och det är så jag verkligen började. Så låt oss börja. Detta är DNA med sin klassiska dubbelspiralform.
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.
Och det kommer från röntgenkristallografi, så det är en korrekt modell av DNA. Om vi rätar ut spiralen och drar isär de två strängarna, ser man de här sakerna som liknar tänder. Detta är den genetiska kodens bokstäver, de 25.000 gener man har inskrivna i sitt DNA. Detta är vad de typiskt handlar om -- den genetiska koden -- detta är vad de handlar om. Men jag vill tala om en annan aspekt av DNA-vetenskapen, och det är DNA:s fysiska struktur. Det är dessa två strängar som går i motsatta riktningar av skäl som jag inte kan gå in på nu. Men de går bokstavligen i motsatta riktningar, vilket skapar ett antal komplikationer för våra levande celler, som ni ska få se nu, allra mest när DNA kopieras.
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.
Så det som jag nu ska visa er är en korrekt avbildning av den verkliga kopiatorn för DNA som sker just nu inne i din kropp, åtminstone 2002-biologi. Så DNA kommer in i produktionslinan från den vänstra sidan, och den stöter på denna ansamling, dessa biokemiska maskiner i miniatyr, som drar isär DNA-strängen och gör en exakt kopia. Så DNA kommer in och stöter på denna blå, munk-liknande strukturen och den dras sönder till två strängar. En sträng kan kopieras direkt, och man kan se de här sakerna som slungas nedåt där. Men det är inte så lätt för den andra strängen för den måste kopieras baklänges. Så den kastas ut gång på gång i dessa öglor och kopieras en del åt gången, så att det bildas två nya DNA-molekyler.
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.
Det är så att vi har miljarder sådana maskiner som just nu arbetar inom oss, och kopierar DNA med utsökt noggrannhet. Det är en korrekt avbildning, och det går i stort sett i korrekt hastighet jämfört med det som händer inom oss. Jag har utelämnat felkorrigering och en massa andra saker.
(Laughter)
Detta var något jag arbetade med för flera år sedan.
This was work from a number of years ago-- Thank you.
Tack. Detta var något jag arbetade med för flera år sedan,
(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.
men det jag nu ska visa er är uppdaterad vetenskap, uppdaterad teknologi. Så återigen börjar vi med DNA. Och de böljar fram och tillbaka på grund av den omgivande soppan av molekyler, som jag har tagit bort för att ni ska kunna se något. DNA är ungefär två nanometer långt, vilket är riktigt litet. Men i var och en av våra celler, är varje DNA-sträng ungefär 30 till 40 miljoner nanometer lång. Så för att hålla ordning på DNA och reglera tillgången till den genetiska koden, så är den lindad kring dessa lila proteinet -- jag har betecknat dem som lila här. Det paketeras och läggs på plats. I synfältet finns nu en enstaka DNA-sträng. Det här stora DNA-paketet kallas en kromosom. Och vi kommer tillbaka till kromosomer om en liten stund.
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."
Vi rör oss baklänges, vi zoomar ut, ut genom en kärnpor, som är öppningen till denna avdelning som innehåller allt det DNA som kallas kärnan. Allt som syns nu är ungefär en termins biologistudier, och jag har sju minuter. Så vi kan inte gå igenom allt det idag? Nej, jag får veta att det är, "Nej."
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.
Så här ser levande celler ut i ett ljusmikroskop. Och det har filmats under ett tidsintervall, vilket är anledningen att man kan se det röra sig. Kärnans hölje bryts ned. Dessa korvliknande föremål är kromosomerna, och vi ska fokusera på dem. De genomgår denna mycket slående rörelse som är fokuserad på de här små röda prickarna. När cellen känner att den är redo för det, sliter den sönder kromosomen. En uppsättning DNA går till ena sidan, den andra sidan får den andra DNA-uppsättningen -- identiska kopior av DNA. Och sedan delar sig cellen genom mitten. Och återigen så har vi miljarder celler som genomgår denna process just nu inom oss.
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 ska vi spola tillbaka och bara fokusera på kromosomerna och se på dess struktur och beskriva den. Så återigen är vi nu vid det speciella ögonblicket. Kromosomerna radar upp sig. Och om vi isolerar bara en kromosom, vi tar ut den och tittar närmare på dess struktur. Så detta är en av de största molekylära strukturer som vi har, åtminstone som vi hittills upptäckt inom oss. Så detta är en enskild kromosom. Och vi har två DNA-strängar i varje kromosom. En är innesluten i en korv. Den andra strängen är innesluten i den andra korven.
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 här sakerna som ser ut som morrhår som sticker ut från vardera sidan är cellens dynamiska byggnadsställning. De kallas mikrotubuler. Det namnet är inte viktigt. Men det vi ska fokusera på är det här röda området -- jag har betecknat det som rött här -- och det är gränssnittet mellan den dynamiska byggnadsställningen och kromosomerna. Det är uppenbarligen av central betydelse för kromosomernas rörelser. Vi har ingen aning om hur den åstadkommer den rörelsen.
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.
Vi har studerat detta som man kallar kinetisk orb under mer än hundra år av intensivt studium, och vi håller fortfarande bara på att börja upptäcka vad det handlar om. Det består av ungefär 200 olika sorters proteiner, tusentals proteiner totalt. Det är ett system för att sända signaler. Det sänder genom kemiska signaler som säger till resten av cellen när den är redo, när den känner att allt är rätt uppställt och klart att startas för att kromosomerna ska separeras. Den kan ansluta sig till de växande och krympande mikrotubulerna.
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.
Den är inblandad i mikrotubulernas tillväxt, och den kan kortvarigt ansluta sig till dem. Det är också ett system som känner av uppmärksamhet. Den kan också känna när cellen är redo, när kromosomerna är korrekt placerade. Den blir grön här för den känner att allt är precis rätt. Och ni ska få se, det finns en sista liten bit som fortfarande är röd. Och den promenerade iväg nedför mikrotubulerna. Det är signalsändingssystemet som sänder ut en stopp-signal. Och den gick iväg. Jag menar verkligen att den är så mekanisk. Det är ett molekylärt urverk.
This is how you work at the molecular scale. So with a little bit of molecular eye candy,
Det är så man arbetar på den molekylära skalan. Så med en liten smula molekylärt ögongodis,
(Laughter)
har vi kinesin-proteiner, som är de orange sakerna.
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.
De är små molekylära kurirmolekyler som går på ett håll. Och här är dynein-proteiner. De bär signalsändningssystemet. Och de har sina långa ben så de kan kliva runt hinder och så vidare. Så återigen, allt detta är härlett korrekt från vetenskapen. Problemet är att vi kan inte visa er det på något annat sätt.
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.
Att utforska vid vetenskapens yttre gräns, vid gränslinjen för mänsklig förståelse, är helt fantastiskt. Att upptäcka de här sakerna är definitivt ett nöjesbetonat incitament för att arbeta med vetenskap. Men de flesta medicinforskare -- som upptäcker dessa saker är helt enkelt steg längs vägen till de stora målen, vilket är att utrota sjukdomar, att eliminera det lidande och den misär som sjukdomar orsakar och att lyfta människor upp ur fattigdom.
Thank you.
Tack.
(Applause)
(Applåd)