What I'm going to try and do in the next 15 minutes or so is tell you about an idea of how we're going to make matter come alive. Now this may seem a bit ambitious, but when you look at yourself, you look at your hands, you realize that you're alive. So this is a start. Now this quest started four billion years ago on planet Earth. There's been four billion years of organic, biological life. And as an inorganic chemist, my friends and colleagues make this distinction between the organic, living world and the inorganic, dead world. And what I'm going to try and do is plant some ideas about how we can transform inorganic, dead matter into living matter, into inorganic biology.
En los próximos 15 minutos voy a tratar de contarles una idea de cómo vamos a hacer que la materia cobre vida. Esto puede parecer un poco ambicioso pero, si nos miramos, si miramos nuestras manos, nos damos cuenta que estamos vivos. Esto es un comienzo. Esto empezó hace 4.000 millones de años en el planeta Tierra. Ha habido 4.000 millones años de vida orgánica, biológica. Como químico inorgánico, con mis amigos y colegas hacemos la distinción entre el mundo orgánico, vivo, y el mundo inorgánico, muerto. Voy a tratar de sembrar algunas ideas de cómo podemos transformar la materia inorgánica, muerta, en materia viva, en biología inorgánica.
Before we do that, I want to kind of put biology in its place. And I'm absolutely enthralled by biology. I love to do synthetic biology. I love things that are alive. I love manipulating the infrastructure of biology. But within that infrastructure, we have to remember that the driving force of biology is really coming from evolution. And evolution, although it was established well over 100 years ago by Charles Darwin and a vast number of other people, evolution still is a little bit intangible. And when I talk about Darwinian evolution, I mean one thing and one thing only, and that is survival of the fittest. And so forget about evolution in a kind of metaphysical way. Think about evolution in terms of offspring competing, and some winning.
Pero antes de eso quiero poner la biología en contexto. Estoy absolutamente fascinado por la biología. Me encanta hacer biología sintética. Me encantan las cosas vivas. Me encanta manipular la infraestructura de la biología. Pero dentro de esa infraestructura tenemos que recordar que la fuerza motriz de la biología viene en realidad de la evolución. Y la evolución, si bien fue establecida hace más de 100 años por Charles Darwin y mucha otra gente, la evolución sigue siendo un poco intangible. Y cuando hablo de la evolución darwiniana quiero decir una y sólo una cosa: la supervivencia del más apto. Olvidémonos de la evolución en un sentido metafísico. Pensemos la evolución en términos de una competencia de la prole en la que alguien gana.
So bearing that in mind, as a chemist, I wanted to ask myself the question frustrated by biology: What is the minimal unit of matter that can undergo Darwinian evolution? And this seems quite a profound question. And as a chemist, we're not used to profound questions every day. So when I thought about it, then suddenly I realized that biology gave us the answer. And in fact, the smallest unit of matter that can evolve independently is, in fact, a single cell -- a bacteria.
Teniendo eso en mente, como químico, quería formularme la pregunta frustrada por la biología: ¿Cuál es la mínima unidad de materia capaz de experimentar una evolución darwiniana? Parece una pregunta bastante profunda. Como químicos no estamos acostumbrados a preguntas profundas cotidianas. Al pensarlo de repente me di cuenta que la biología nos daba una respuesta. Y, de hecho, la mínima unidad de materia que puede evolucionar en forma independiente es una célula simple... una bacteria.
So this raises three really important questions: What is life? Is biology special? Biologists seem to think so. Is matter evolvable? Now if we answer those questions in reverse order, the third question -- is matter evolvable? -- if we can answer that, then we're going to know how special biology is, and maybe, just maybe, we'll have some idea of what life really is.
Esto plantea tres preguntas muy importantes: ¿Qué es la vida? ¿La biología es algo especial? Los biólogos piensan que sí. ¿Evoluciona la materia? Si respondemos esas preguntas en orden inverso... la tercera, ¿evoluciona la materia? Si podemos responderla, entonces sabremos cuán especial es la biología y quizá, sólo quizá, nos haremos una idea de qué es realmente la vida.
So here's some inorganic life. This is a dead crystal, and I'm going to do something to it, and it's going to become alive. And you can see, it's kind of pollinating, germinating, growing. This is an inorganic tube. And all these crystals here under the microscope were dead a few minutes ago, and they look alive. Of course, they're not alive. It's a chemistry experiment where I've made a crystal garden. But when I saw this, I was really fascinated, because it seemed lifelike. And as I pause for a few seconds, have a look at the screen. You can see there's architecture growing, filling the void. And this is dead. So I was positive that, if somehow we can make things mimic life, let's go one step further. Let's see if we can actually make life.
Aquí hay algo de vida inorgánica. Este es un cristal muerto al que le voy a hacer algo y va a cobrar vida. Y pueden ver como que se poliniza, germina, crece. Este es un tubo inorgánico. Y todos estos cristales bajo el microscopio estaban muertos hace unos minutos y ahora parecen vivos. Claro, no están vivos. Es un experimento químico en el que he hecho un jardín de cristales. Pero cuando vi esto realmente me fascinó porque parecía tener vida. Y, mientras me detengo unos segundos, miren la pantalla. Pueden ver que la arquitectura crece, que llena el vacío. Esto está muerto. Yo estaba seguro de que, si de algún modo podemos hacer que las cosas imiten la vida, podremos dar un paso más. Veamos si podemos realmente crear vida.
But there's a problem, because up until maybe a decade ago, we were told that life was impossible and that we were the most incredible miracle in the universe. In fact, we were the only people in the universe. Now, that's a bit boring. So as a chemist, I wanted to say, "Hang on. What is going on here? Is life that improbable?" And this is really the question. I think that perhaps the emergence of the first cells was as probable as the emergence of the stars. And in fact, let's take that one step further. Let's say that if the physics of fusion is encoded into the universe, maybe the physics of life is as well. And so the problem with chemists -- and this is a massive advantage as well -- is we like to focus on our elements. In biology, carbon takes center stage. And in a universe where carbon exists and organic biology, then we have all this wonderful diversity of life. In fact, we have such amazing lifeforms that we can manipulate. We're awfully careful in the lab to try and avoid various biohazards.
Pero hay un problema; hasta hace quizá una década nos decían que la vida era imposible y que era éramos el milagro más increíble del universo. Que éramos los únicos en el universo. Ahora, eso es un poco aburrido. Por eso, como químico, yo quería decir: "Esperen. ¿Qué está pasando aquí? ¿Es tan improbable la vida?" Esta es realmente la pregunta. Creo que tal vez la aparición de las primeras células era tan probable como la de las estrellas. Demos ese paso adicional. Digamos que si la física de la fusión está codificada en el universo, quizá la física de la vida también lo esté. El problema con los químicos, y esto también es una gran ventaja, es que nos gusta centrarnos en los elementos. En biología el carbono ocupa un lugar central. En el universo, donde existe el carbono y la biología orgánica, tenemos toda esta maravillosa diversidad de la vida. Tenemos formas de vida increíbles que podemos manipular. Tenemos extremo cuidado en el laboratorio para tratar de evitar los distintos riesgos biológicos.
Well what about matter? If we can make matter alive, would we have a matterhazard? So think, this is a serious question. If your pen could replicate, that would be a bit of a problem. So we have to think differently if we're going to make stuff come alive. And we also have to be aware of the issues. But before we can make life, let's think for a second what life really is characterized by. And forgive the complicated diagram. This is just a collection of pathways in the cell. And the cell is obviously for us a fascinating thing. Synthetic biologists are manipulating it. Chemists are trying to study the molecules to look at disease. And you have all these pathways going on at the same time. You have regulation; information is transcribed; catalysts are made; stuff is happening. But what does a cell do? Well it divides, it competes, it survives. And I think that is where we have to start in terms of thinking about building from our ideas in life.
¿Y qué pasa con la materia? Si podemos hacer que la materia viva, ¿tendríamos esos riesgos? Pensemos; esta es una pregunta seria. Si su bolígrafo pudiera replicarse eso sería un problema. Por eso tenemos que pensar de manera diferente si vamos a hacer que las cosas cobren vida. Y también tenemos que ser conscientes de los problemas. Pero antes de poder crear vida pensemos un segundo qué es lo que caracteriza la vida. Perdonen lo complicado del diagrama. Esto es sólo una colección de caminos en la célula. Y para nosotros la célula es, obviamente, algo fascinante. Los biólogos sintéticos las están manipulando. Los químicos investigan las moléculas para estudiar enfermedades. Tenemos todos estos caminos al mismo tiempo. Hay regulación; se transcribe información; se crean catalizadores; pasan muchas cosas. Pero ¿qué hace la célula? Bueno, se divide, compite, sobrevive. Y creo que es ahí donde tenemos que empezar a pensar en la construcción de nuestras ideas sobre la vida.
But what else is life characterized by? Well, I like think of it as a flame in a bottle. And so what we have here is a description of single cells replicating, metabolizing, burning through chemistries. And so we have to understand that if we're going to make artificial life or understand the origin of life, we need to power it somehow. So before we can really start to make life, we have to really think about where it came from. And Darwin himself mused in a letter to a colleague that he thought that life probably emerged in some warm little pond somewhere -- maybe not in Scotland, maybe in Africa, maybe somewhere else. But the real honest answer is, we just don't know, because there is a problem with the origin. Imagine way back, four and a half billion years ago, there is a vast chemical soup of stuff. And from this stuff we came.
Pero, ¿por qué otra cosa se caracteriza la vida? Bueno, me gusta pensarlo como una llama en una botella. Por eso aquí tenemos una descripción de células simples que se replican, metabolizan, y consumen mediante la química. Por eso tenemos que entender que si vamos a crear vida artificial, o entender el origen de la vida, tenemos que alimentarla de algún modo. Así que antes de empezar a crear vida en realidad tenemos que pensar de dónde vino. Y el propio Darwin reflexionaba en una carta a un colega que él pensaba que la vida probablemente surgió en algún pequeño estanque cálido por ahí; quizá no en Escocia, quizá en África, quizá en algún otro lado. Pero la respuesta realmente honesta es que no lo sabemos porque hay un problema con el origen. Remontémonos al pasado 4.500 millones de años; hay un gran caldo químico de materia. Y de esa materia vinimos.
So when you think about the improbable nature of what I'm going to tell you in the next few minutes, just remember, we came from stuff on planet Earth. And we went through a variety of worlds. The RNA people would talk about the RNA world. We somehow got to proteins and DNA. We then got to the last ancestor. Evolution kicked in -- and that's the cool bit. And here we are. But there's a roadblock that you can't get past. You can decode the genome, you can look back, you can link us all together by a mitochondrial DNA, but we can't get further than the last ancestor, the last visible cell that we could sequence or think back in history. So we don't know how we got here.
Así que cuando piensen en la naturaleza improbable de lo que les voy a contar en los próximos minutos sólo recuerden que vinimos de materia del planeta Tierra. Y pasamos por una variedad de mundos. Los expertos en ARN hablan del mundo del ARN. De algún modo llegamos a las proteínas y al ADN. Luego llegamos al último ancestro. La evolución irrumpe... eso es lo genial. Y aquí estamos. Pero hay un obstáculo que no podemos superar. Se puede decodificar el genoma, ir hacia atrás, podemos vincularnos todos por un ADN mitocondrial, pero no podemos ir más allá del último ancestro, la última célula visible que pudimos secuenciar o a la cual nos retrotraemos en la historia. No sabemos cómo llegamos aquí.
So there are two options: intelligent design, direct and indirect -- so God, or my friend. Now talking about E.T. putting us there, or some other life, just pushes the problem further on. I'm not a politician, I'm a scientist. The other thing we need to think about is the emergence of chemical complexity. This seems most likely. So we have some kind of primordial soup. And this one happens to be a good source of all 20 amino acids. And somehow these amino acids are combined, and life begins. But life begins, what does that mean? What is life? What is this stuff of life?
Hay dos opciones: diseño inteligente, directo e indirecto; es decir, Dios o mi amigo. Ahora bien, hablar de que E.T. nos puso allí, o a otra forma de vida, sólo posterga el problema para más adelante. No soy político, soy científico. Lo otro en que tenemos que pensar es en el surgimiento de la complejidad química. Esto parece más probable. Hay una especie de caldo primigenio. Y da la casualidad que ésta es una buena fuente de los 20 aminoácidos. Y que de algún modo se combinaron estos aminoácidos y empezó la vida. Pero, ¿qué significa que empezó la vida? ¿Qué es la vida? ¿Qué es esto de la vida?
So in the 1950s, Miller-Urey did their fantastic chemical Frankenstein experiment, where they did the equivalent in the chemical world. They took the basic ingredients, put them in a single jar and ignited them and put a lot of voltage through. And they had a look at what was in the soup, and they found amino acids, but nothing came out, there was no cell. So the whole area's been stuck for a while, and it got reignited in the '80s when analytical technologies and computer technologies were coming on.
En los años 50 Miller-Urey realizó un experimento químico fantástico de tipo Frankenstein; fue el equivalente para el mundo químico. Tomaron los ingredientes básicos, los pusieron en el mismo frasco, los encendieron, y les aplicaron alto voltaje. Luego miraron qué había en la sopa y hallaron aminoácidos pero no salió nada, no había células. Toda esa disciplina se detuvo durante un tiempo y se reavivó en los años 80 con el surgimiento de tecnologías analíticas e informáticas.
In my own laboratory, the way we're trying to create inorganic life is by using many different reaction formats. So what we're trying to do is do reactions -- not in one flask, but in tens of flasks, and connect them together, as you can see with this flow system, all these pipes. We can do it microfluidically, we can do it lithographically, we can do it in a 3D printer, we can do it in droplets for colleagues. And the key thing is to have lots of complex chemistry just bubbling away. But that's probably going to end in failure, so we need to be a bit more focused.
En mi propio laboratorio el modo en que tratamos de crear vida inorgánica es mediante muchos y distintos formatos de reacción. Estamos tratando de hacer reacciones... no en un frasco, sino en decenas de frascos, y conectamos, como pueden ver en este sistema de flujo, todos estos tubos. Podemos hacerlo con microfluidos, podemos hacerlo litográficamente, podemos hacerlo con impresoras 3D, podemos hacerlo en gotas para los colegas. La clave es tener un montón de procesos químicos complejos burbujeando. Pero eso probablemente termine fracasando, por eso tenemos que centrar más la atención.
And the answer, of course, lies with mice. This is how I remember what I need as a chemist. I say, "Well I want molecules." But I need a metabolism, I need some energy. I need some information, and I need a container. Because if I want evolution, I need containers to compete. So if you have a container, it's like getting in your car. "This is my car, and I'm going to drive around and show off my car." And I imagine you have a similar thing in cellular biology with the emergence of life. So these things together give us evolution, perhaps. And the way to test it in the laboratory is to make it minimal.
Y la respuesta, por supuesto, se encuentra en los ratones. Esto me recuerda lo que necesito como químico. Digo: "Bueno, quiero moléculas". Pero necesito un metabolismo, necesito energía. Necesito información, y necesito un contenedor. Porque si quiero evolución necesito que los contenedores compitan. Así, si tenemos un contenedor es como entrar al coche. "Este es mi coche y voy a salir a alardear con él". Me imagino que ocurre algo similar en la biología celular con el surgimiento de la vida. Así que estas cosas juntas, quizá nos dan la evolución. Y la forma de probarlo en el laboratorio es reducirlo a lo mínimo.
So what we're going to try and do is come up with an inorganic Lego kit of molecules. And so forgive the molecules on the screen, but these are a very simple kit. There's only maybe three or four different types of building blocks present. And we can aggregate them together and make literally thousands and thousands of really big nano-molecular molecules the same size of DNA and proteins, but there's no carbon in sight. Carbon is banned. And so with this Lego kit, we have the diversity required for complex information storage without DNA. But we need to make some containers. And just a few months ago in my lab, we were able to take these very same molecules and make cells with them. And you can see on the screen a cell being made. And we're now going to put some chemistry inside and do some chemistry in this cell. And all I wanted to show you is we can set up molecules in membranes, in real cells, and then it sets up a kind of molecular Darwinism, a molecular survival of the fittest.
Por eso vamos a tratar de encontrar un kit de componentes inorgánicos de moléculas. Disculpen que puse moléculas en la pantalla pero se trata de un kit muy simple. Sólo hay 3 ó 4 tipos diferentes de bloques de construcción. Podemos combinarlos y hacer, literalmente, miles y miles de grandes estructuras nanomoleculares del mismo tamaño que el ADN y las proteínas pero sin carbono a la vista. El carbono es malo. Así, con este kit del tipo Lego, tenemos la diversidad que se requiere para el almacenamiento de información compleja sin ADN. Pero tenemos que crear contenedores. Y hace apenas unos meses en mi laboratorio pudimos tomar estas mismas moléculas y crear células con ellas. En pantalla pueden ver la creación de una célula. Ahora vamos a ponerle química en el interior y hacer química en esta célula. Todo lo que quería mostrarles es que podemos montar moléculas en membranas, en células reales, y luego eso establece una especie de darwinismo molecular, una supervivencia molecular del más apto.
And this movie here shows this competition between molecules. Molecules are competing for stuff. They're all made of the same stuff, but they want their shape to win. They want their shape to persist. And that is the key. If we can somehow encourage these molecules to talk to each other and make the right shapes and compete, they will start to form cells that will replicate and compete. If we manage to do that, forget the molecular detail.
Esta película de aquí muestra esa competencia entre moléculas. Las moléculas compiten por la materia. Todas están hechas de la misma materia pero cada una quiere que gane su forma. Cada una quiere que persista su forma. Y esa es la clave. Si de alguna manera podemos alentar a estas moléculas para que hablen unas con otras, adopten las formas correctas y compitan, empezarán a formar células que se replicarán y competirán. Si logramos hacer eso olvidémonos del detalle molecular.
Let's zoom out to what that could mean. So we have this special theory of evolution that applies only to organic biology, to us. If we could get evolution into the material world, then I propose we should have a general theory of evolution. And that's really worth thinking about. Does evolution control the sophistication of matter in the universe? Is there some driving force through evolution that allows matter to compete? So that means we could then start to develop different platforms for exploring this evolution. So you imagine, if we're able to create a self-sustaining artificial life form, not only will this tell us about the origin of life -- that it's possible that the universe doesn't need carbon to be alive; it can use anything -- we can then take [it] one step further and develop new technologies, because we can then use software control for evolution to code in.
Alejémonos y veamos qué podría significar eso. Tenemos esta teoría especial de la evolución que sólo se aplica a la biología orgánica, a nosotros. Si pudiéramos llevar la evolución al mundo material entonces propongo que deberíamos tener una teoría general de la evolución. Y eso es algo que vale la pena pensar. ¿Controla la evolución la sofisticación de la materia del universo? ¿Existe alguna fuerza motriz que gracias a la evolución permita a la materia competir? Eso quiere decir que podríamos empezar a desarrollar distintas plataformas para explorar esta evolución. Así que imaginen, si fuéramos capaces de crear una forma de vida artificial autosustentable - esto no sólo nos contará el origen de la vida, sino que posiblemente no se necesita carbono para la vida; que puede usar cualquier cosa - luego podemos dar un paso más y desarrollar nuevas tecnologías porque entonces podemos usar control de software para que la evolución se codifique.
So imagine we make a little cell. We want to put it out in the environment, and we want it to be powered by the Sun. What we do is we evolve it in a box with a light on. And we don't use design anymore. We find what works. We should take our inspiration from biology. Biology doesn't care about the design unless it works. So this will reorganize the way we design things. But not only just that, we will start to think about how we can start to develop a symbiotic relationship with biology. Wouldn't it be great if you could take these artificial biological cells and fuse them with biological ones to correct problems that we couldn't really deal with? The real issue in cellular biology is we are never going to understand everything, because it's a multidimensional problem put there by evolution. Evolution cannot be cut apart. You need to somehow find the fitness function. And the profound realization for me is that, if this works, the concept of the selfish gene gets kicked up a level, and we really start talking about selfish matter.
Imaginen que creamos una pequeña célula. Queremos ponerla en el ambiente y que sea alimentada por el sol. La ponemos en una caja con una luz encendida. Y ya no usamos más diseño. Hallamos lo que funciona. Deberíamos inspirarnos en la biología. La biología no tiene en cuenta el diseño a menos que funcione. Esto reorganizará la forma en que diseñamos las cosas. Pero no sólo eso, empezaremos a pensar en la forma de desarrollar una relación simbiótica con la biología. ¿No sería genial si se pudiera tomar estas células biológicas artificiales y fusionarlas con células biológicas para corregir problemas a los que no podíamos hacer frente? El verdadero problema en la biología celular es que nunca vamos a entenderlo todo porque es un problema multidimensional el que plantea la evolución. La evolución no se puede escindir. De algún modo tenemos que hallar la función de aptitud. Y para mí la consecuencia profunda es que, si esto funciona, el concepto de gen egoísta avanza un nivel y empezamos a hablar de materia egoísta.
And what does that mean in a universe where we are right now the highest form of stuff? You're sitting on chairs. They're inanimate, they're not alive. But you are made of stuff, and you are using stuff, and you enslave stuff. So using evolution in biology, and in inorganic biology, for me is quite appealing, quite exciting. And we're really becoming very close to understanding the key steps that makes dead stuff come alive. And again, when you're thinking about how improbable this is, remember, five billion years ago, we were not here, and there was no life. So what will that tell us
¿Y qué quiere decir esto en un universo en el que en este momento somos la forma más elevada de materia? Uds. están sentados en sus butacas. Son inanimadas, no tienen vida. Pero Uds están hechos de materia, usan materia, y hacen uso intensivo de ella. Por eso usar la evolución en biología y en biología orgánica, para mí es bastante atractivo, muy emocionante. Estamos realmente muy cerca de comprender los pasos clave que hacen que la materia muerta cobre vida. De nuevo, cuando piensen lo improbable de esto recuerden que hace 5.000 millones de años no estábamos aquí y no había vida. ¿Qué nos dice eso
about the origin of life and the meaning of life? But perhaps, for me as a chemist, I want to keep away from general terms; I want to think about specifics. So what does it mean about defining life? We really struggle to do this. And I think, if we can make inorganic biology, and we can make matter become evolvable, that will in fact define life. I propose to you that matter that can evolve is alive, and this gives us the idea of making evolvable matter.
del origen de la vida y de su significado? Tal vez yo, como químico, quiero mantenerme alejado de los términos generales; quiero pensar en los detalles. ¿Qué quiere decir eso sobre la definición de la vida? Realmente luchamos para lograrlo. Creo que si podemos hacer biología inorgánica y podemos hacer que la materia evolucione, eso, de hecho, definirá la vida. Pienso que la materia que puede evolucionar, está viva y esto nos da la idea de hacer materia que evolucione.
Thank you very much.
Muchas gracias.
(Applause)
(Aplausos)
Chris Anderson: Just a quick question on timeline. You believe you're going to be successful in this project? When?
Chris Anderson: Sólo una pregunta rápida en función del tiempo. ¿Crees que vas a tener éxito en este proyecto? ¿Cuándo?
Lee Cronin: So many people think that life took millions of years to kick in. We're proposing to do it in just a few hours, once we've set up the right chemistry.
Lee Cronin: Mucha gente piensa que el surgimiento de la vida llevó millones de años. Estamos proponiendo hacerlo en unas pocas horas, una vez que establezcamos la química correcta.
CA: And when do you think that will happen?
CA: ¿Y cuándo crees que va a pasar?
LC: Hopefully within the next two years.
LC: Con suerte, en los próximos dos años.
CA: That would be a big story. (Laughter) In your own mind, what do you believe the chances are that walking around on some other planet is non-carbon-based life, walking or oozing or something?
CA: Eso sería una gran noticia. (Risas) En tu opinión, ¿qué posibilidad crees que hay de la existencia de vida que no dependa del carbono caminando en otro planeta... caminando, rezumando o algo así?
LC: I think it's 100 percent. Because the thing is, we are so chauvinistic to biology, if you take away carbon, there's other things that can happen. So the other thing that if we were able to create life that's not based on carbon, maybe we can tell NASA what really to look for. Don't go and look for carbon, go and look for evolvable stuff.
LC: Creo que hay un 100%. Porque la cosa es que nos centramos demasiado en la biología; si quitamos el carbono, pueden suceder otras cosas. Lo otro es que si pudiéramos crear vida que no se base en el carbono quizá podamos decirle a la NASA qué buscar. No vayan a buscar carbono, vayan en busca de materia que evoluciona.
CA: Lee Cronin, good luck. (LC: Thank you very much.)
CA: Lee Cronin, buena suerte. (LC: Muchas gracias)
(Applause)
(Aplausos)