All life, every living thing ever, has been built according to the information in DNA. What does that mean? Well, it means that just as the English language is made up of alphabetic letters that, when combined into words, allow me to tell you the story I'm going to tell you today, DNA is made up of genetic letters that, when combined into genes, allow cells to produce proteins, strings of amino acids that fold up into complex structures that perform the functions that allow a cell to do what it does, to tell its stories. The English alphabet has 26 letters, and the genetic alphabet has four. They're pretty famous. Maybe you've heard of them. They are often just referred to as G, C, A and T. But it's remarkable that all the diversity of life is the result of four genetic letters. Imagine what it would be like if the English alphabet had four letters. What sort of stories would you be able to tell? What if the genetic alphabet had more letters? Would life with more letters be able to tell different stories, maybe even more interesting ones?
Строение всех форм жизни, каждого живого существа, базируется на информации, заложенной в ДНК. Что это значит? Это значит, что подобно тому, как английский язык состоит из букв алфавита, которые складываются в слова и дают мне возможность вести сегодня этот рассказ, ДНК состоит из генетических букв, которые, складываясь в гены, дают клеткам возможность производить белки́ — цепочки аминокислот, сворачивающиеся в сложные структуры, которые выполняют функции, позволяющие клеткам делать свою работу, рассказывать свою историю. В английском алфавите 26 букв, в генетическом — четыре. Они хорошо известны. Возможно, вы о них слышали. Их часто называют просто G, C, A и Т. Но удивительно то, что всё разнообразие жизни является результатом комбинаций четырёх букв. Что, если бы английский алфавит состоял из четырёх букв? Какие мы смогли бы рассказывать истории? Что, если бы в генетическом алфавите было больше букв? Может быть, такие формы жизни смогли бы рассказать иные истории, возможно, даже более интересные?
In 1999, my lab at the Scripps Research Institute in La Jolla, California started working on this question with the goal of creating living organisms with DNA made up of a six-letter genetic alphabet, the four natural letters plus two additional new man-made letters. Such an organism would be the first radically altered form of life ever created. It would be a semisynthetic form of life that stores more information than life ever has before. It would be able to make new proteins, proteins built from more than the 20 normal amino acids that are usually used to build proteins. What sort of stories could that life tell?
В 1999 году моя лаборатория в Институте Скриппса в Ла-Холье начала работу в этом направлении с целью создания живых организмов с ДНК, состоящей из шести букв: четырёх природных и двух новых, созданных человеком. Такой организм был бы первой когда-либо созданной радикально изменённой формой жизни. Это была бы полусинтетическая форма жизни, содержащая больше информации, чем все другие формы до неё. Она могла бы создавать новые белки, собирая их из большего числа аминокислот, не ограничиваясь обычными двадцатью. Какие истории рассказал бы этот организм?
With the power of synthetic chemistry and molecular biology and just under 20 years of work, we created bacteria with six-letter DNA. Let me tell you how we did it.
С помощью синтетической химии, молекулярной биологии, посвятив этому почти 20 лет, мы создали бактерию с ДНК из шести букв. Давайте я расскажу как.
All you have to remember from your high school biology is that the four natural letters pair together to form two base pairs. G pairs with C and A pairs with T, so to create our new letters, we synthesized hundreds of new candidates, new candidate letters, and examined their abilities to selectively pair with each other. And after about 15 years of work, we found two that paired together really well, at least in a test tube. They have complicated names, but let's just call them X and Y.
Всё, что вам нужно помнить из школьного курса биологии, — четыре природных буквы встают в пары, формируя две пары нуклеотидов. G располагается в паре с C, А — в паре с T. Чтобы создать новые буквы, мы синтезировали сотни новых кандидатов — кандидатов в буквы — и изучили их способности избирательно образовывать пары. Спустя 15 лет работы мы обнаружили две буквы, встававшие в пару очень хорошо, — по крайней мере, в пробирке. У них сложные названия, но давайте просто называть их X и Y.
The next thing we needed to do was find a way to get X and Y into cells, and eventually we found that a protein that does something similar in algae worked in our bacteria. So the final thing that we needed to do was to show that with X and Y provided, cells could grow and divide and hold on to X and Y in their DNA. Everything we had done up to then took longer than I had hoped -- I am actually a really impatient person -- but this, the most important step, worked faster than I dreamed, basically immediately.
Затем нам нужно было найти способ поместить X и Y в клетки, и в итоге мы обнаружили, что белок, который аналогично вёл себя в водорослях, работал и в наших бактериях. Наконец, нам нужно было убедиться, что, имея в своём составе X и Y, клетки будут расти, делиться и не избавятся от новых букв в своей ДНК. Все предыдущие этапы работы заняли дольше, чем я надеялся, — а я очень нетерпелив, — но этот самый последний шаг сработал быстрее, чем я смел мечтать, практически сразу.
On a weekend in 2014, a graduate student in my lab grew bacteria with six-letter DNA. Let me take the opportunity to introduce you to them right now. This is an actual picture of them. These are the first semisynthetic organisms.
В 2014 году, за одни выходные, аспирант в моей лаборатории вырастил бактерию с шестибуквенной ДНК. Воспользуюсь возможностью показать её вам прямо сейчас. Это их реальное изображение. Это первые полусинтетические организмы.
So bacteria with six-letter DNA, that's really cool, right? Well, maybe some of you are still wondering why. So let me tell you a little bit more about some of our motivations, both conceptual and practical. Conceptually, people have thought about life, what it is, what makes it different from things that are not alive, since people have had thoughts. Many have interpreted life as being perfect, and this was taken as evidence of a creator. Living things are different because a god breathed life into them. Others have sought a more scientific explanation, but I think it's fair to say that they still consider the molecules of life to be special. I mean, evolution has been optimizing them for billions of years, right? Whatever perspective you take, it would seem pretty impossible for chemists to come in and build new parts that function within and alongside the natural molecules of life without somehow really screwing everything up. But just how perfectly created or evolved are we? Just how special are the molecules of life? These questions have been impossible to even ask, because we've had nothing to compare life to. Now for the first time, our work suggests that maybe the molecules of life aren't that special. Maybe life as we know it isn't the only way it could be. Maybe we're not the only solution, maybe not even the best solution, just a solution.
Итак, бактерия с шестибуквенной ДНК — круто, да? Что ж, может, кому-то из вас всё ещё не ясно, что здесь такого. Позвольте рассказать ещё немного о наших побуждающих факторах — и теоретических, и практических. Что касается теории, люди задумывались о жизни, её природе, об отличии живого от неживого с момента, как научились задумываться. Многие видели жизнь совершенной, и это считалось доказательством существования творца. Живое отличается тем, что творец вдохнул в него жизнь. Другие искали более научное объяснение, но, думаю, справедливо утверждение, что они всё ещё считают молекулы жизни особенными. Ведь эволюция совершенствовала их миллиарды лет, не так ли? Каким бы ни было ваше мнение, кажется невероятным, чтобы химики могли синтезировать новые составные части, функционирующие внутри и наравне с природными молекулами жизни, не наворотив при этом дел. Но насколько идеален наш организм? Насколько совершенны молекулы жизни? Такими вопросами и задаваться было невозможно, так как у нас не было ничего, с чем можно сравнивать. Теперь — впервые — наши исследования показывают, что, может быть, молекулы жизни не такие уж и особенные. Быть может, жизнь какой мы её знаем — не единственный возможный вариант. Может, мы не единственное решение, даже не оптимальное решение, а всего лишь одно из решений.
These questions address fundamental issues about life, but maybe they seem a little esoteric. So what about practical motivations? Well, we want to explore what sort of new stories life with an expanded vocabulary could tell, and remember, stories here are the proteins that a cell produces and the functions they have. So what sort of new proteins with new types of functions could our semisynthetic organisms make and maybe even use? Well, we have a couple of things in mind.
Эти вопросы касаются фундаментальных аспектов жизни, но они могут показаться слегка заумными. А что насчёт практических побуждений? Что ж, мы хотим увидеть, какие ещё истории могут рассказать формы жизни, у которых прибавилось букв, — и не забывайте, истории — это белки, производимые клеткой, и их функции. Так какие же новые белки с новыми функциями наши полусинтетические организмы могут производить и, возможно, использовать? Ну, у нас есть пара идей.
The first is to get the cells to make proteins for us, for our use. Proteins are being used today for an increasingly broad range of different applications, from materials that protect soldiers from injury to devices that detect dangerous compounds, but at least to me, the most exciting application is protein drugs. Despite being relatively new, protein drugs have already revolutionized medicine, and, for example, insulin is a protein. You've probably heard of it, and it's manufactured as a drug that has completely changed how we treat diabetes. But the problem is that proteins are really hard to make and the only practical way to get them is to get cells to make them for you. So of course, with natural cells, you can only get them to make proteins with the natural amino acids, and so the properties those proteins can have, the applications they could be developed for, must be limited by the nature of those amino acids that the protein's built from. So here they are, the 20 normal amino acids that are strung together to make a protein, and I think you can see, they're not that different-looking. They don't bring that many different functions. They don't make that many different functions available. Compare that with the small molecules that synthetic chemists make as drugs. Now, they're much simpler than proteins, but they're routinely built from a much broader range of diverse things. Don't worry about the molecular details, but I think you can see how different they are. And in fact, it's their differences that make them great drugs to treat different diseases. So it's really provocative to wonder what sort of new protein drugs you could develop if you could build proteins from more diverse things.
Во-первых, можно заставить клетки производить белки для наших нужд. Сегодня белкам находится всё большее число применений: от создания материалов, защищающих солдат от ранений, до устройств, способных обнаружить опасные соединения, но лично мне самыми интересными кажутся лекарства из белков. Несмотря на относительную новизну, белковые лекарства уже произвели революцию в медицине. К примеру, инсулин — белок. Вероятно, вы о нём слышали: это препарат, который полностью изменил терапию диабета. Но сложность в том, что белки трудно производить, единственный реальный способ их получить — научить клетки их вырабатывать. Конечно, вы можете заставить природные клетки вырабатывать только природные аминокислоты, и свойства и применение этих белков будут ограничены особенностями аминокислот, входящих в их состав. Вот они — 20 обычных аминокислот, соединяющихся в белки, и вы видите, что они довольно-таки похожи. Функции, за которые они отвечают, похожи. Нет большого разнообразия функций. Сравните с небольшими молекулами, которые химики синтезируют для препаратов. Они проще по составу, чем белки, но обычно в их составе гораздо более широкий набор разнообразных элементов. Вам не нужно разбираться в этих молекулах, но, думаю, вам и так понятно, какие они разные. Именно это разнообразие позволяет им быть отличными препаратами для лечения заболеваний. Поэтому весьма интересно задуматься, какие белковые препараты можно разработать, создавая белки из большего разнообразия элементов.
So can we get our semisynthetic organism to make proteins that include new and different amino acids, maybe amino acids selected to confer the protein with some desired property or function? For example, many proteins just aren't stable when you inject them into people. They are rapidly degraded or eliminated, and this stops them from being drugs. What if we could make proteins with new amino acids with things attached to them that protect them from their environment, that protect them from being degraded or eliminated, so that they could be better drugs? Could we make proteins with little fingers attached that specifically grab on to other molecules? Many small molecules failed during development as drugs because they just weren't specific enough to find their target in the complex environment of the human body. So could we take those molecules and make them parts of new amino acids that, when incorporated into a protein, are guided by that protein to their target?
Можно ли заставить наш полусинтетический организм вырабатывать белки, включающие новые, разнообразные аминокислоты, возможно, аминокислоты, отобранные для производства белков, с нужными свойствами и функциями? К примеру, многие белки недостаточно стабильны при введении в организм человека. Они быстро распадаются или выводятся и не выполняют лекарственную функцию. Что, если создать белки с новыми аминокислотами с добавками, защищающими их от условий среды, от распада и выведения, чтобы они могли лучше выполнять роль лекарств? Можно ли создать белки с «пальчиками», которые бы цеплялись к определённым молекулам? Многие небольшие молекулы так и не стали лекарствами, потому что не были узкоспециализированными и не могли найти цель в сложной среде человеческого организма. Можем ли мы взять эти молекулы и сделать их частью новых аминокислот, которые войдут в состав белка и будут направлены к цели этим белком?
I started a biotech company called Synthorx. Synthorx stands for synthetic organism with an X added at the end because that's what you do with biotech companies.
Я основал компанию биотехнологий Synthorx. Synthorx расшифровывается как «синтетический организм», а буква X на конце — дань моде в среде биотехнологических компаний.
(Laughter)
(Смех)
Synthorx is working closely with my lab, and they're interested in a protein that recognizes a certain receptor on the surface of human cells. But the problem is that it also recognizes another receptor on the surface of those same cells, and that makes it toxic. So could we produce a variant of that protein where the part that interacts with that second bad receptor is shielded, blocked by something like a big umbrella so that the protein only interacts with that first good receptor? Doing that would be really difficult or impossible to do with the normal amino acids, but not with amino acids that are specifically designed for that purpose.
Synthorx тесно сотрудничают с моей лабораторией, и их интересует белок, распознающий определённый рецептор на поверхности человеческой клетки. Проблема в том, что этот белок также распознаёт другой рецептор на поверхности этих клеток, что делает его токсичным. Можем ли мы создать такой вариант белка, в котором участок, взаимодействующий с неправильным рецептором, заблокирован, прикрыт чем-то вроде большого зонтика, чтобы этот белок распознавал только нужный нам рецептор? Такое было бы очень сложно сделать, или даже невозможно, с обычными аминокислотами, но не с аминокислотами, специально созданными для этой цели.
So getting our semisynthetic cells to act as little factories to produce better protein drugs isn't the only potentially really interesting application, because remember, it's the proteins that allow cells to do what they do. So if we have cells that make new proteins with new functions, could we get them to do things that natural cells can't do? For example, could we develop semisynthetic organisms that when injected into a person, seek out cancer cells and only when they find them, secrete a toxic protein that kills them? Could we create bacteria that eat different kinds of oil, maybe to clean up an oil spill? These are just a couple of the types of stories that we're going to see if life with an expanded vocabulary can tell.
Минифабрики из синтетических клеток, производящие более эффективные белковые лекарства, — не единственное потенциально интересное их применение, потому что именно белки позволяют клеткам выполнять их функции. Если клетки производят новые белки с новыми функциями, сможем ли мы заставить их делать то, чего обычные клетки не умеют? Например, можем ли мы разработать полусинтетические организмы, которые, попадая в тело человека, искали бы раковые клетки, и только найдя их, выделяли бы убивающий их токсин? Можем ли мы создать бактерию, питающуюся нефтью, чтобы, например, справиться с аварийным разливом? Это лишь пара примеров того, какие истории смогут рассказать формы жизни с новыми буквами в ДНК.
So, sounds great, right? Injecting semisynthetic organisms into people, dumping millions and millions of gallons of our bacteria into the ocean or out on your favorite beach? Oh, wait a minute, actually it sounds really scary. This dinosaur is really scary. But here's the catch: our semisynthetic organisms in order to survive, need to be fed the chemical precursors of X and Y. X and Y are completely different than anything that exists in nature. Cells just don't have them or the ability to make them. So when we prepare them, when we grow them up in the controlled environment of the lab, we can feed them lots of the unnatural food. Then, when we deploy them in a person or out on a beach where they no longer have access that special food, they can grow for a little bit, they can survive for a little, maybe just long enough to perform some intended function, but then they start to run out of the food. They start to starve. They starve to death and they just disappear. So not only could we get life to tell new stories, we get to tell life when and where to tell those stories.
Звучит отлично, да? Внедрение полусинтетических организмов в людей, выброс миллионов литров бактерий в океан или на ваш любимый пляж? Подождите-ка, на самом деле звучит страшновато. Какой страшный динозавр! Но вот в чём штука: чтобы выжить, наши полусинтетические организмы должны питаться химическими прекурсорами X и Y. X и Y не похожи ни на что в природе. Их нет в клетках, клетки не умеют их синтезировать. Поэтому, создав их, вырастив их в контролируемой лабораторной среде, мы накормим их большим количеством того, чего не существует в природе. Затем мы введём их в организм человека или поместим на пляж, где у них не будет доступа к такой пище. Какое-то время они будут расти, оставаться в живых, возможно, только на время, необходимое для выполнения их работы, но затем у них закончатся питательные вещества. Они начнут голодать. Они умрут от голода и просто исчезнут. Формы жизни смогут рассказывать новые истории, а мы сможем контролировать, когда и как они будут их рассказывать.
At the beginning of this talk I told you that we reported in 2014 the creation of semisynthetic organisms that store more information, X and Y, in their DNA. But all the motivations that we just talked about require cells to use X and Y to make proteins, so we started working on that. Within a couple years, we showed that the cells could take DNA with X and Y and copy it into RNA, the working copy of DNA. And late last year, we showed that they could then use X and Y to make proteins. Here they are, the stars of the show, the first fully-functional semisynthetic organisms.
В начале выступления я рассказал, что в 2014 г. мы объявили о создании полусинтетических организмов, имеющих добавочную информацию, то есть буквы Х и Y, в ДНК. Но все потенциальные применения, о которых я говорил, требуют того, чтобы Х и Y создавали белки, и мы стали над этим работать. За следующие пару лет мы показали, что клетки с X и Y в ДНК могут копировать её в РНК — рабочую копию ДНК. А в конце прошлого года мы продемонстрировали, что затем они могут использовать X и Y для создания белков. Вот они, наши звёзды, первые полнофункциональные полусинтетические организмы.
(Applause)
(Аплодисменты)
These cells are green because they're making a protein that glows green. It's a pretty famous protein, actually, from jellyfish that a lot of people use in its natural form because it's easy to see that you made it. But within every one of these proteins, there's a new amino acid that natural life can't build proteins with.
Эти клетки зелёного цвета, потому что синтезируют белок с зелёным свечением. Это довольно известный белок медузы, который часто используют в естественной форме, потому что его легко опознать. Но в каждом из этих новых белков есть новая аминокислота, которая не используется в белках в природе.
Every living cell, every living cell ever, has made every one of its proteins using a four-letter genetic alphabet. These cells are living and growing and making protein with a six-letter alphabet. These are a new form of life. This is a semisynthetic form of life.
Каждая когда-либо существовавшая живая клетка, создавала каждый из этих белков с помощью четырёхбуквенного алфавита. Эти же клетки живут, растут и синтезируют белок из шестибуквенного набора. Это новая форма жизни. Это полусинтетическя форма жизни.
So what about the future? My lab is already working on expanding the genetic alphabet of other cells, including human cells, and we're getting ready to start working on more complex organisms. Think semisynthetic worms.
А что же в будущем? Моя лаборатория работает над расширением алфавита других клеток, включая человеческие, и мы готовимся работать с более сложными организмами. Представьте полусинтетических червей.
The last thing I want to say to you, the most important thing that I want to say to you, is that the time of semisynthetic life is here.
Последнее, что я вам скажу, — самое главное — время полусинтетических форм жизни пришло.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
Chris Anderson: I mean, Floyd, this is so remarkable. I just wanted to ask you, what are the implications of your work for how we should think about the possibilities for life, like, in the universe, elsewhere? It just seems like so much of life, or so much of our assumptions are based on the fact that of course, it's got to be DNA, but is the possibility space of self-replicating molecules much bigger than DNA, even just DNA with six letters?
Крис Андерсон: Флойд, это невероятно. Я только хотел спросить, что ваша работа значит в контексте вероятности существования жизни где-то ещё во Вселенной? Кажется, многие наши представления о жизни базируются на том, что она должна иметь ДНК, но возможна ли жизнь в виде самовоспроизводящихся молекул, намного крупнее ДНК, даже ДНК из шести букв?
Floyd Romesberg: Absolutely, I think that's right, and I think what our work has shown, as I mentioned, is that there's been always this prejudice that sort of we're perfect, we're optimal, God created us this way, evolution perfected us this way. We've made molecules that work right alongside the natural ones, and I think that suggests that any molecules that obey the fundamental laws of chemistry and physics and you can optimize them could do the things that the natural molecules of life do. There's nothing magic there. And I think that it suggests that life could evolve many different ways, maybe similar to us with other types of DNA, maybe things without DNA at all.
Флойд Ромсберг: Несомненно, я думаю, это так, я считаю, наша работа показала, что всегда существовало мнение, что мы совершенны, оптимальны, созданы по образу божьему, что нас отшлифовала эволюция. Мы создали молекулы, способные работать вместе с природными, что означает, что любые молекулы, подчиняющиеся фундаментальным законам химии и физики, — при этом их можно улучшать — могут делать то же, что и природные молекулы жизни. И это не волшебство. Это может значить, что жизнь способна развиваться по-разному, она может быть похожей на нашу, но с другими ДНК, может, вообще без ДНК.
CA: I mean, in your mind, how big might that possibility space be? Do we even know? Are most things going to look something like a DNA molecule, or something radically different that can still self-reproduce and potentially create living organisms?
КА: По вашему мнению, насколько большим может быть это разнообразие? Можем ли мы это даже представить? Это в основном молекулы ДНК или что-то радикально иное, способное к самовоспроизведению и, потенциально, к созданию живого?
FR: My personal opinion is that if we found new life, we might not even recognize it.
ФР: Я лично считаю, что если мы найдём новые формы жизни, мы можем их даже не узнать как таковые.
CA: So this obsession with the search for Goldilocks planets in exactly the right place with water and whatever, that's a very parochial assumption, perhaps.
КА: Значит, эта одержимость планетами, потенциально пригодными для жизни, в нужном месте, с водой и прочим — возможно, весьма эгоцентрична?
FR: Well, if you want to find someone you can talk to, then maybe not, but I think that if you're just looking for any form of life, I think that's right, I think that you're looking for life under the light post.
ФР: Возможно и нет, если вы хотите найти того, с кем можно поговорить, но я считаю, что если вы просто ищете любую форму жизни, вы правы, думаю, мы ищем в слишком очевидных местах.
CA: Thank you for boggling all our minds. Thank so much, Floyd.
КА: Спасибо за то, что поразили наше воображение! Спасибо, Флойд!
(Applause)
(Аплодисменты)