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.
За наступні 15 хвилин я розповім вам, як оживити матерію. Це може видатись дещо претензійно, але, якщо ви поглянете на себе, на свої руки, то зрозумієте, що ви живі. Це для початку. Такі пошуки почалися ще 4 мільярди років тому на планеті Земля. Отож, 4 мільярди років існувала органічна біологічна матерія. Будучи неорганічними хіміками, мої друзі та колеги розрізняють органічний, живий та неорганічний, мертвий світи. І те, що я збираюся спробувати і зробити - це запропонувати способи перетворення неорганічної, мертвої матерії в живу, неорганічну матерію.
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.
Перш ніж ми це зробимо, я хочу визначити роль біології у цьому процесі. Я захоплений нею. Люблю синтетичну біологію. Люблю живу матерію. Люблю керувати інфраструктурою біології. Але в межах цієї інфраструктури ми повинні пам’ятати, що рушійна сила біології полягає в еволюції. І незважаючи на те, що її було відкрито понад 100 років тому Ч. Дарвіном та багатьма іншими людьми, вона все ще залишається незбагненною. І коли я говорю про еволюцію Дарвіна, я маю на увазі лише одну річ – природній добір. Так що забудьте про еволюцію в так званому метафізичному сенсі. Думайте про неї як про змагання поколінь та їхні перемоги.
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.
Маючи це на думці, я як хімік задавася питанням, яке нав’язала мені біологія: Яка найменша одиниця матерії, що може еволюціонувати згіідно з вченням Дарвіна? І це здається досить грунтовним питанням. Будучи хіміками, ми не звикли наштовхуватись на такі запитання щодня. Коли я міркував над цим, то раптом збагнув, що біологія дала відповідь на це запитання. Насправді мінімальна одиниця матерії, яка може самостійно еволюціонувати є, по суті, автономна клітина – бактерія.
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.
Відповідно до цього виникають три запитання: Що таке життя? Чи унікальна біологія? Біологи гадають, що так. Чи може матерія еволюціонувати? Якщо давати відповіді на ці запитання у зворотньому порядку, починаючи з останнього – чи може матерія еволюціонувати? – то давши відповідь на нього, ми знатимемо, наскільки унікальною є біологія і навіть матимемо уявлення, що таке життя.
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.
Ось тут декілька неорганічних живих організмів. Це мертвий кристал, який я збираюсь оживити. Ви можете бачити, як він запилюється, проростає та продовжує рости. Це неорганічна трубка. І всі ці кристали під мікроскопом, будучи мертвими кілька хвилин тому, видаються живими. Звісно це не так. Насправді це хімічний експеримент, в якому я створив сад кристалів. Але, коли я його побачив, то був справді вражений, так як він видавався живим. Я зачекаю кілька хвилин, а ви тим часом погляньте на екран. Бачите, як ці утворення розростаються, заповнюючи порожнечу, будучи при цьому неживими. Отож, я був переконаний, якщо ми змусимо речі імітувати життя, ми зробимо ще один крок вперед. Давайте подивимось, чи здатні ми створити життя.
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.
Але є одна проблема. Ще може років з 10 тому нам казали, що життя не існує і, що ми єдині унікальні створіння у всесвіті. Дійсно ми були єдиними живими створіннями у всесвіті. Тепер це вже неактуально. Тому як хімік кажу, «Стривайте. Що тут відбувається? Невже життя аж настільки неймовірне?» В тому то й біда. Гадаю, що поява перших клітин така ж можлива, як і поява зірок. Давайте ж зробимо той перший крок вперед. Припустімо, якщо фізика синтезу закодована у всесвіті, то може і фізика життя там теж закодована. Недолік хіміків – а заодно і величезна перевага – в тому, що ми любимо зосереджуватися на хімічних елементах. В біології вуглець займає центральне місце. В тих місцях всесвіту, де наявні вуглець і органічна біологія, ми спостерігаємо чудову розмаїтість життя. Насправді, у нас є дивовижні форми життя, якими можна управляти. Але ми надзвичайно обережні в лабораторії, щоб уникнути різних біологічних небезпек.
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.
А як щодо матерії? Якщо ми можемо її оживити, то чи не загрожує нам небезпека від неї? Зважте, це серйозне запитання. Якщо б ваша ручка могла розмножуватись, це могло б стати проблемою. Тому нам варто думати по-іншому, якщо ми збираємось оживляти матерію. Слід не забувати про можливі наслідки. Та перш ніж створювати життя, на секунду подумаймо, що йому притаманно. Прошу пробачення за таку складну діаграму. Це всього-на-всього набір зв’язків у клітині. Клітина безсумнівно є надзвичайною річчю для нас. Синтетичні біологи управляють нею. Хіміки намагаються вивчити молекули, щоб виявити причини хвороб. У нас всі ці зв’язки відбуваються одночасно. Регуляція, зчитування інформації, вироблення каталізаторів, все працює. А що ж відбувається в клітині? Вона ділиться, змагається, виживає. З цього нам слід і починати, якщо ми хочемо втілити цю ідею в життя.
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.
Що ж іще характерне для життя? Я думаю про це як про полум’я у пляшці. Ось опис автономних клітин, які діляться, метаболізують, згорають. Нам слід усвідомити, якщо ми збираємось створити штучне життя, чи зрозуміти його виникнення, нам слід якось підключити до нього живлення. Перш ніж ми почнемо створювати життя, слід з’ясувати, звідки воно взялося. Сам Дарвін в листі до колеги стверджував, що життя зародилось десь в невеликому теплому озері – можливо не в Шотландії, а в Африці або деінде. Чесно кажучи, в тому то і біда, що ми не знаєм відповіді на це запитання. Уявіть, що 4,5 мільярдів років тому існувала велика суміш хімічних речовин, з якої ми і виникли.
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.
Отож, якщо ви вірите у неймовірну природу того, про що я говоритиму у найближчі кілька хвилин, просто пам’ятайте, що ми виникли з цієї суміші речовин. Ми пройшли через різні світи. РНК-люди говоритимуть про РНК-світ. Якимось чином ми дістались до протеїнів і ДНК. А згодом і до останнього предка. Настала еволюція – ось тут почалось найцікавіше. А ось і ми. Та існує нездоланна перешкода. Можна розшифрувати геном, озирнутись назад, з’єднати мітохондріальну ДНК, але ми все ще не в змозі дістатись до нашого останнього предка, останньої видимої клітини, яку можна би було впорядкувати чи простежити її історичний розвиток. Ми не знаємо, яким чином ми сюди потрапили.
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?
Є два варіанти: розумна істота, створена прямим чи непрямим шляхом - тобто Богом чи «моїм другом». Висловлюючи думку, що нас чи якесь інше життя створили інопланетяни, ми відкладаємо проблему у «довгу шухляду». Я вчений, а не політик. Інша річ, яку слід взяти до уваги, це поява складності з точки зору хімії. Це видається найбільш правдоподібним. Отож маємо так звану первинну суміш елементів, яка може служити хорошим джерелом для всіх 20 амінокислот. Якимось чином ці амінокислоти з’єдналися між собою і дали початок життю. Але що означає, дали початок життю? Що таке життя? Яка його суть?
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.
В 1950-х Міллер-Юрі здійснили фантастичний експеримент, аналогом якого може бути хіба що Франкенштейн. Вони помістили складові компоненти в окрему посудину, запалили їх та пропустили через них електричний струм високої напруги. У цій суміші вони виявили лише амінокислоти, що ж стосується клітин, то їх там не було. Як наслідок, дослідження припинились на деякий час, а в 80-х з появою аналітичних і комп’ютериних технологій їх було відновлено.
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.
В моїй лабораторії ми намагаємось створити неорганічне життя за допомогою всіляких реакцій. Ми намагаємось проводити реакції не в одній, а в десятках колб, з’єднаних за допомогою потокової системи та всіляких трубок, які ви зараз бачите. Ми можемо здійснювати це на мікрорівні, літографовано, з використанням 3D принтера або ж просто в краплях для колег. Головне – це забезпечити протікання великої кількості складних реакцій. Але скоріш за все це не увінчається успіхом, тому нам варто бути більш зосередженими.
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.
Відповідь варто шукати за допомогою мишей. Так я пригадую, що мені потрібно як хіміку. Я кажу собі «Мені потрібні молекули». Окрім цього мені потрібен метаболізм, енергія, інформація, і зрештою контейнер. Бо, якщо я хочу здійснити еволюцію, мені потрібно, щоб ці контейнери змагались між собою. Контейнер – це як власна машина. «Я збираюсь проїхатись в ній і похвалитись нею перед усіма». Уявіть те саме у клітинній біології з зародженням життя. Сукупність цих процесів, мабуть, і дає нам еволюцію Перевірити це у лабораторії можна за допомогою мінімалізації цього процесу.
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.
Ми намагаємось створити так званий неорганічний Лего-набір із молекул. Пробачте за ці молекули на екрані, це надто простий набір. Тут, мабуть лиш три чи чотири типи блоків. Ми можемо скласти їх докупи і створити буквально тисячі нано-молекулярних молекул розміром з цілу ДНК, а також протеїни, але без вуглецю. Карбон не можна використовувати. Лего-набір дає нам всю різноманітність для збереження інформації без ДНК. Але нам потрібні контейнери. Всього кілька місяців тому в лабораторії ми могли створити ці молекули і зробити з них клітини. На екрані ви бачите, як виникає клітина. Зараз помістимо туди трохи хімічного розчину і проведемо реакцію. Я лиш хотів показати, яким чином в мембранах справжніх клітин утворюються молекули, згодом у дію вступає молекулярний Дарвінізм, тобто молекулярне виживання найсильніших.
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.
Картина на екрані є свідченням молекулярного змагання за речовину. Вони зроблені з однієї речовини, але прагнуть, щоб їхня форма перемогла. В цьому і суть справи. Якщо ми зможемо стимулювати ці молекули до контакту, до набуття правильних форм, до змагання, то вони почнуть формувати клітини, що у свою чергу діляться та змагаються. Якщо нам це вдасться, забудьте про молекулярні деталі.
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.
Давайте подивимось, що це могло б означати. Спеціальна теорія еволюції стосується виключно органічної біології, тобто нас. Якщо ми змогли б перенести еволюцію на матеріальний світ, тоді б у нас була загальна теорія еволюції. Над цим справді варто замислитись. Чи підвладна складність матерії у всесвіті еволюції? Чи існує така рушійна сила, яка під дією еволюції дозволяє змагання між речовинами? В такому випадку ми можемо приступити до розробки нових засад вивчення еволюції. Лиш уявіть, якщо ми зможемо створити самостійну штучну форму життя, це не лише відкриє нам таємницю виникнення життя – чи, що життя у всесвіті може виникнути з чого-завгодно; не обов’язково з вуглецю – а й дасть змогу зробити ще один крок вперед і розробити нові технології, так як ми матимемо змогу керувати еволюцією за допомогою програмного забезпечення..
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.
Уявімо, що ми створили маленьку клітину. Ми хочемо помістити її в навколишнє середовище і, щоб Сонце її живило. Для цього ми помістимо її в ящик із ввімкненим світлом. Більше ми нічого не моделюємо. Просто з’ясовуємо, що спрацює. В цьому нас має надихнути біологія. Її не цікавить конструкція, допоки вона не запрацює. Це змінить спосіб, яким ми моделюємо речі. Але це ще не все, ми зможемо думати про симбіотичні зв’язки з біологією. Правда було б чудово, якби ми могли просто з’єднати штучні біологічні клітини з біологічними – скільки б проблем було вирішено? Складність клітинної біології в тому, що ми ніколи не зрозуміємо всього, так як це багатовимірна проблема, породжена еволюцією. Ми не можемо розчленувати еволюцію. Слід якимось чином пристосуватись до цього. Великим відкриттям для мене є те, якщо це діє, то концепція «егоїстичного гену» вийде на абсолютно новий рівень і ми говоритимемо про «егоїстичну матерію».
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
Що це означає для всесвіту, в якому ми зараз найвища форма матерії? Ви сидите в кріслах. Вони бездушні та неживі. Але ви зроблені з цієї речовини, ви використовуєте та підкоряєте її. Я захоплений застосуванням еволюції в біології, особливо в органічній біології. Ми наближаємось до розуміння ключових механізмів оживлення матерії. Якщо ви розмірковуєте, наскільки це неймовірно, пам’ятайте, 5 мільярдів років тому, нас не було, як і не було життя. Що ж, чи дасть нам це змогу зрозуміти
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.
зародження життя і його сенс? Мабуть, будучи хіміком, я утримаюсь від узагальнень; хочу подумати про щось конкретне. Яке це має значення для визначення життя? Нам важко це визначити. На мою думку, якщо ми винайдемо неорганічну біологію внаслідок чого матерія зможе еволюціонувати, це і буде визначенням життя. Я стверджую, речовина, яка може еволюціонувати жива, і у цьому полягає суть створення еволюційної матерії.
Thank you very much.
Дякую за увагу.
(Applause)
(Оплески)
Chris Anderson: Just a quick question on timeline. You believe you're going to be successful in this project? When?
Кріс Андерсон: Ще одне невеличке питання щодо терміну. Ви вірите в успіх вашого проекту? Коли?
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.
Лі Кронін: Багато людей гадають, що для виникнення життя необхідно мільйони років. Моя команда планує зробити це за кілька годин, як тільки ми віднайдемо відповідні реакції.
CA: And when do you think that will happen?
Кріс Андерсон: І коли, на вашу думку, це станеться?
LC: Hopefully within the next two years.
Лі Кронін: Гадаю у найближчі два роки.
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?
Кріс Андерсон: Ото буде сенсація. (Сміх) Як ви гадаєте, чи існує на іншій планеті ходяче, повзаюче життя без вуглецю?
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.
Лі Кронін: Безумовно. Справа в тому, що ми вороже налаштовані до біології, без вуглецю можуть статися і інші речі. Інша річ, якщо б ми створили життя без участі вуглецю, то могли б сказати НАСА, чого очікувати. Не шукайте вуглець, шукайте матерію, що еволюціонує.
CA: Lee Cronin, good luck. (LC: Thank you very much.)
Кріс Андерсон: Лі Кронін, бажаю Вам у цьому успіху. (Лі Кронін: Велике спасибі.)
(Applause)
(Оплески)