Folk diskuterer energisk om definitionen på liv. De spørger om der bør være reproduktion i den, eller metabolisme eller evolution. Og jeg kender ikke svaret på det, så det vil jeg ikke fortælle jer. Jeg vil sige at liv indeholder beregning. Så dette er et computerprogram. Når programmet startes i en celle, vil det køres og det kunne resultere i denne person; eller med en lille ændring, kunne det resultere i denne person; eller en anden lille ændring, denne person; eller med en større ændring, denne hund, eller dette træ, eller denne hval.
So, people argue vigorously about the definition of life. They ask if it should have reproduction in it, or metabolism, or evolution. And I don't know the answer to that, so I'm not going to tell you. I will say that life involves computation. So this is a computer program. Booted up in a cell, the program would execute, and it could result in this person; or with a small change, it could result in this person; or another small change, this person; or with a larger change, this dog, or this tree, or this whale.
Hvis man nu tager denne metafor [om] genomet som program alvorligt, så må man bemærke at Chris Anderson er et computergenereret produkt, det samme er Jim Watson, Craig Venter, og det er vi alle. Og for at overbevise sig selv om at denne metafor er sand, er der mange ligheder mellem genetiske programmer og computerprogrammer der kunne hjælpe med at overbevise en. Men en der er mest overbevisende for mig er den særegne følsomhed overfor små forandringer der kan lave store forandringer i den biologiske udvikling -- outputtet. En lille mutation kan tage en tovinget flue og gøre den til en firevinget flue. Eller det kan tage en flue og placere ben hvor antennerne bør være. Eller hvis man er bekendt med "The Princess Bride," kunne det skabe en seksfingret mand.
So now, if you take this metaphor [of] genome as program seriously, you have to consider that Chris Anderson is a computer-fabricated artifact, as is Jim Watson, Craig Venter, as are all of us. And in convincing yourself that this metaphor is true, there are lots of similarities between genetic programs and computer programs that could help to convince you. But one, to me, that's most compelling is the peculiar sensitivity to small changes that can make large changes in biological development -- the output. A small mutation can take a two-wing fly and make it a four-wing fly. Or it could take a fly and put legs where its antennae should be. Or if you're familiar with "The Princess Bride," it could create a six-fingered man.
Et kendetegn ved computerprogrammer er præcis denne slags følsomhed overfor små forandinger. Hvis der står en dollar på ens bankkonto og man vender en enkelt bit, kunne man ende med at have tusinde dollars. Disse små ændringer, er ting som jeg mener er -- de viser os at en kompliceret beregning i biologisk udvikling ligger under disse forstørrede, store forandringer.
Now, a hallmark of computer programs is just this kind of sensitivity to small changes. If your bank account's one dollar, and you flip a single bit, you could end up with a thousand dollars. So these small changes are things that I think that -- they indicate to us that a complicated computation in development is underlying these amplified, large changes.
Alt dette indikerer at der er molekylære programmer der ligger bag biologien, og det viser kraften i molekylære programmer -- det gør biologi. Og det jeg vil gøre er, at jeg vil skrive molekylære programmer, potentielt til at bygge teknologi. Og der er mange mennesker der gør dette, mange syntetiske biologer gør dette, som Craig Venter. Og de koncentrerer sig om at bruge celler. De er celle-orienterede. Mine venner, molekylære programmører, og jeg har en slags biomolekyle-centreret tilgang. Vi er interesserede i at bruge DNA, RNA, og protein, og bygge nye sprog til at bygge ting op fra bunden, ved hjælp af biomolekyler, der potentielt ikke har noget at gøre med biologi. Dette er alle maskinerne i en celle. Der er et kamera. Der er solcellerne i cellen, nogle kontakter der tænder og slukker for ens gener, dragerne i cellen, motorerne der bevæger ens muskler. Min lille gruppe af molekylære programmører prøver at genopbygge alle disse dele fra DNA. Vi er ikke DNA fanatikere, men DNA er det billigste, det nemmeste at forstå og det nemmeste materiale at programmere. Og i takt med at andre ting bliver nemmere at bruge -- måske protein -- vil vi arbejde med dem.
So now, all of this indicates that there are molecular programs underlying biology, and it shows the power of molecular programs -- biology does. And what I want to do is write molecular programs, potentially to build technology. And there are a lot of people doing this, a lot of synthetic biologists doing this, like Craig Venter. And they concentrate on using cells. They're cell-oriented. So my friends, molecular programmers, and I have a sort of biomolecule-centric approach. We're interested in using DNA, RNA and protein, and building new languages for building things from the bottom up, using biomolecules, potentially having nothing to do with biology. So, these are all the machines in a cell. There's a camera. There's the solar panels of the cell, some switches that turn your genes on and off, the girders of the cell, motors that move your muscles. My little group of molecular programmers are trying to refashion all of these parts from DNA. We're not DNA zealots, but DNA is the cheapest, easiest to understand and easy to program material to do this. And as other things become easier to use -- maybe protein -- we'll work with those.
Hvis vi lykkedes, hvordan vil molekylær programmering så se ud? Man vil sidde foran sin computer. Man designer noget der ligner en mobiltelefon, og i et højniveausprog, beskriver man den mobiltelefon. Så har man en kompilator der tager den beskrivelse og forvandler det til faktiske molekyler der kan sendes til en synthesiser og den synthesizer pakker de molekyler ind i et kim. Og det der sker når man vander og fodrer kimet rigtigt er, at det laver en udviklingsmæssig udregning, en molekylær udregning, og den bygger en elektronisk computer. Og hvis jeg ikke har afsløret mine fordomme allerede, så tror jeg livet har handlet om molekylære computere der bygger elektrokemiske computere, der bygger elektroniske computere, der sammen med elektrokemiske computere bygger nye molekylære computere, der vil bygge nye elektroniske computere, og så videre.
If we succeed, what will molecular programming look like? You're going to sit in front of your computer. You're going to design something like a cell phone, and in a high-level language, you'll describe that cell phone. Then you're going to have a compiler that's going to take that description and it's going to turn it into actual molecules that can be sent to a synthesizer and that synthesizer will pack those molecules into a seed. And what happens if you water and feed that seed appropriately, is it will do a developmental computation, a molecular computation, and it'll build an electronic computer. And if I haven't revealed my prejudices already, I think that life has been about molecular computers building electrochemical computers, building electronic computers, which together with electrochemical computers will build new molecular computers, which will build new electronic computers, and so forth.
Og hvis man tror på alt dette, og man mener at livet handler om beregning, som jeg gør, så ser man på de store spørgsmål gennem en computer forskers øjne. Et stort spørgsmål er nu, hvordan ved en baby hvornår den skal holde op med at vokse? Og for molekylær programmering, er spørgsmålet hvordan ens mobiltelefon ved hvornår den skal holde op med at vokse? (Latter) Eller hvordan ved et computerprogram hvornår det skal holde op med at køre? Eller mere til sagen, hvordan ved man om et program nogensinde stopper? Der er andre spørgsmål som dette også. Et af dem er Craig Venters spørgsmål. Det viser, tror jeg, at han i virkeligheden er computer forsker. Han spurgte, hvor stort er det minimale genom der giver mig en funktionerende mikroorganisme? Hvor få gener kan jeg bruge? Dette svarer præcist til spørgsmålet, hvad er det mindste program jeg kan skrive der vil handle præcist som Microsoft Word? (Latter) Og ligesom han skriver, I ved, bakterier der er mindre, han skriver genomer der vil fungere, så kunne vi skrive mindre programmer der gør det som Microsoft Word gør.
And if you buy all of this, and you think life is about computation, as I do, then you look at big questions through the eyes of a computer scientist. So one big question is, how does a baby know when to stop growing? And for molecular programming, the question is how does your cell phone know when to stop growing? (Laughter) Or how does a computer program know when to stop running? Or more to the point, how do you know if a program will ever stop? There are other questions like this, too. One of them is Craig Venter's question. Turns out I think he's actually a computer scientist. He asked, how big is the minimal genome that will give me a functioning microorganism? How few genes can I use? This is exactly analogous to the question, what's the smallest program I can write that will act exactly like Microsoft Word? (Laughter) And just as he's writing, you know, bacteria that will be smaller, he's writing genomes that will work, we could write smaller programs that would do what Microsoft Word does.
Men til molekylær programmering, er vores spørgsmål, hvor mange molekyler vi skal putte i det kim for at få en mobiltelefon? Hvad er det mindste antal vi kan slippe afsted med? Nu er dette store spørgsmål indenfor computervidenskaben. Dette er alle spørgsmål om kompleksitet, og computervidenskaben fortæller os at dette er meget svære spørgsmål. Næsten -- mange af dem er umulige. Men nogle opgaver kan vi begynde at svare på. Jeg vil begynde med at stille de spørgsmål for de DNA strukturer som jeg vil tale om nu. Dette er normal DNA, det man ser på som normal DNA. Det er dobbeltstrenget, det er en dobbeltspiral, har A'erne, T'erne, C'erne og G'erne der danner par for at holde strengene sammen. Og jeg vil nogle gange tegne det på denne måde, bare så jeg ikke forskrækker jer. Vi vil se på individuelle strenge og ikke tænke på dobbeltspiralen. Når vi syntetiserer det, er det enkeltstrenget, så vi kan putte den blå streng i et rør og lave en orange streng i det andet rør, og de er slaskede når de er enstrengede. Man blander dem sammen og de skaber en stiv dobbelstreng. Men i løbet af de sidste 25 år, har Ned Seeman og en flok af hans efterkommere arbejdet meget hårdt og lavet smukke tredimensionelle strukturer ved hjælp af denne slags reaktion af DNA strenge der kobles sammen. Men mange af deres tilgange, omend elegante, tager lang tid. De kan tage et par år, eller det kan være svært at designe.
But for molecular programming, our question is, how many molecules do we need to put in that seed to get a cell phone? What's the smallest number we can get away with? Now, these are big questions in computer science. These are all complexity questions, and computer science tells us that these are very hard questions. Almost -- many of them are impossible. But for some tasks, we can start to answer them. So, I'm going to start asking those questions for the DNA structures I'm going to talk about next. So, this is normal DNA, what you think of as normal DNA. It's double-stranded, it's a double helix, has the As, Ts, Cs and Gs that pair to hold the strands together. And I'm going to draw it like this sometimes, just so I don't scare you. We want to look at individual strands and not think about the double helix. When we synthesize it, it comes single-stranded, so we can take the blue strand in one tube and make an orange strand in the other tube, and they're floppy when they're single-stranded. You mix them together and they make a rigid double helix. Now for the last 25 years, Ned Seeman and a bunch of his descendants have worked very hard and made beautiful three-dimensional structures using this kind of reaction of DNA strands coming together. But a lot of their approaches, though elegant, take a long time. They can take a couple of years, or it can be difficult to design.
Jeg fandt derfor på en ny metode for et par år siden som jeg kalder DNA origami der er så nem, at man kunne gøre det hjemme i ens køkken og designe tingene på ens laptop. Men for at gøre det, har man brug for en lang, enkelt DNA streng, hvilket teknisk set er meget svært at få fat på. Så man kan bruge en naturlig kilde. Man kan se på dette computerfabrikerede produkt, og han har et dobbeltstrenget genom -- det er ubrugeligt. Man kigger i hans tarme. Der er milliarder af bakterier. De er også ubrugelige. Igen dobbeltstrengede, men inden i dem, er de inficerede med en virus der har et fint, langt, enkeltstrenget genom som vi kan folde som et stykke papir. Og vi gør det på denne måde.
So I came up with a new method a couple of years ago I call DNA origami that's so easy you could do it at home in your kitchen and design the stuff on a laptop. But to do it, you need a long, single strand of DNA, which is technically very difficult to get. So, you can go to a natural source. You can look in this computer-fabricated artifact, and he's got a double-stranded genome -- that's no good. You look in his intestines. There are billions of bacteria. They're no good either. Double strand again, but inside them, they're infected with a virus that has a nice, long, single-stranded genome that we can fold like a piece of paper. And here's how we do it.
Dette er en del af det genom. Vi tilføjer en stak korte, syntetiske DNA'er som jeg kalder hæfteklammer. Hver af dem har en venstre halvdel der binder sig til den lange streng på et sted, og en højre halvdel der binder sig fast et andet sted, og knytter den lange streng sammen på denne måde. Resultatet af mange af disse på den lange streng er at folde den om til noget der ligner en rektangel.
This is part of that genome. We add a bunch of short, synthetic DNAs that I call staples. Each one has a left half that binds the long strand in one place, and a right half that binds it in a different place, and brings the long strand together like this. The net action of many of these on that long strand is to fold it into something like a rectangle.
Nu kan vi ikke lave et filmklip af denne process, men Shawn Douglas ved Harvard har lavet en fin visualisering for os der begynder med en lang streng og nogle korte strenge. Og det der sker er at vi blander disse strenge sammen. Vi opvarmer dem, og vi tilføjer lidt salt, vi opvarmer dem til næsten kogepunktet og nedkøler dem, og i takt med at vi nedkøler dem, binder de korte strenge de lange strenge og man begynder at danne en struktur. Og man kan se en lille smule dobbeltspiral der. Når man ser på DNA origami, kan man se at det, det i virkeligheden er, selvom man tror det er kompliceret, en nogle dobbeltspiraler der er parallelle med hinanden, og de holdes sammen på steder hvor korte strenge følger en spiral og så hopper til en anden. Der er en streng der snor sig på denne måde, følger spiralen og binder -- den hopper til den anden spiral og kommer tilbage. Det holder den lange streng på denne måde.
Now, we can't actually take a movie of this process, but Shawn Douglas at Harvard has made a nice visualization for us that begins with a long strand and has some short strands in it. And what happens is that we mix these strands together. We heat them up, we add a little bit of salt, we heat them up to almost boiling and cool them down, and as we cool them down, the short strands bind the long strands and start to form structure. And you can see a little bit of double helix forming there. When you look at DNA origami, you can see that what it really is, even though you think it's complicated, is a bunch of double helices that are parallel to each other, and they're held together by places where short strands go along one helix and then jump to another one. So there's a strand that goes like this, goes along one helix and binds -- it jumps to another helix and comes back. That holds the long strand like this.
For at vise at vi kunne lave en hvilken som helst form eller mønster som vi ville, prøvede jeg at lave denne form. Jeg ville folde DNA til noget der går op over øjet, ned over næsen, op ad næsen, rundt om panden, ned igen og ender i en lille sløjfe på denne måde. Så, jeg tænkte, at hvis dette kunne fungere, kunne hvad som helst fungere. Jeg fik computerprogrammet til at designe de korte hæfteklammer til at gøre dette. Jeg bestilte dem og de kom med FedEx. Jeg blandede dem, opvarmede dem, nedkølede dem, og jeg fik 50 milliarder små smiley ansigter der flød rundt i en enkelt dråbe vand. Og hver af dem er kun så bredt som en tusindedel af et menneske hår, ok?
Now, to show that we could make any shape or pattern that we wanted, I tried to make this shape. I wanted to fold DNA into something that goes up over the eye, down the nose, up the nose, around the forehead, back down and end in a little loop like this. And so, I thought, if this could work, anything could work. So I had the computer program design the short staples to do this. I ordered them; they came by FedEx. I mixed them up, heated them, cooled them down, and I got 50 billion little smiley faces floating around in a single drop of water. And each one of these is just one-thousandth the width of a human hair, OK?
De flyder alle rundt i denne opløsning, og for at se dem, skal man putte dem på en overflade hvor de kan klæbe. Man hælder dem ud over en overflade og de begynder at klæbe til den overflade, og vi kan tage et billede ved hjælp af et atomic-force mikroskop. Den har en nål, som nålen på en pladespiller, der går frem og tilbage over overfladen, bumper op og ned, og føler højden på overfladen. Den føler DNA origamien. Der er atomic-force mikroskopet i aktion og man kan se at landingen er lidt hård. Når man zoomer ind, har de, I ved, svage kæber der slår op over deres hoveder og nogle af deres næser bliver slået ud, men det er ret godt. Man kan zoome ind og endda se den ekstra lille sløjfe, dette lille nano-gedeskæg.
So, they're all floating around in solution, and to look at them, you have to get them on a surface where they stick. So, you pour them out onto a surface and they start to stick to that surface, and we take a picture using an atomic-force microscope. It's got a needle, like a record needle, that goes back and forth over the surface, bumps up and down, and feels the height of the first surface. It feels the DNA origami. There's the atomic-force microscope working and you can see that the landing's a little rough. When you zoom in, they've got, you know, weak jaws that flip over their heads and some of their noses get punched out, but it's pretty good. You can zoom in and even see the extra little loop, this little nano-goatee.
Det der er fedt ved dette er at alle kan gøre det. Så jeg fik denne uopfordrede mail omkring et år efter jeg gjorde dette. Nogen der ved hvad dette er? Hvad er det? Det er Kina, ikke? Det der skette er, at en kandidatstuderende i Kina, Lulu Qian, gjorde et fint stykke arbejde. Hun skrev al sin egen software til at designe og bygge dette DNA origami, en smuk gengivelse af Kina, hvor Taiwan endda er med, og man ser at Taiwan på en måde er i verdens korteste snor, ikke? (Latter) Så dette fungerer virkelig godt og man kan lave mønstre lige så vel som former, okay? Og man kan lave et kort over Nord-, Syd- og Centralamerika og stave DNA med DNA.
Now, what's great about this is anybody can do this. And so, I got this in the mail about a year after I did this, unsolicited. Anyone know what this is? What is it? It's China, right? So, what happened is, a graduate student in China, Lulu Qian, did a great job. She wrote all her own software to design and built this DNA origami, a beautiful rendition of China, which even has Taiwan, and you can see it's sort of on the world's shortest leash, right? (Laughter) So, this works really well and you can make patterns as well as shapes, OK? And you can make a map of the Americas and spell DNA with DNA.
Og det der er virkelig fedt ved dette -- jamen, faktisk, ser dette alt sammen ud som nanokunst, men det viser sig at nanokunst er lige det man har brug for for at lave nanokredsløb. Man kan sætte kredsløbskomponenter på hæfteklammerne, ligesom en pære og en lyskontakt. Lad tingen samle sig, og man får en eller form for kredsløb. Og så kan man måske vaske DNA'et væk og have det resterende kredsløb. Dette er hvad nogle af mine kolleger ved Caltech gjorde. De tog en DNA origami, organiserede nogle kulstof nanorør, lavede en lille kontakt, det kan I se her, tilsluttede den, testede den og viste at det rigtignok er en kontakt. Dette er bare en enkelt kontakt og man har brug for en halv milliard til en computer, så vi har lang vej igen. Men det er meget lovende fordi origamien kan organisere dele der er bare en tiendedel i størrelse af dem der er i en normal computer. Det er meget lovende for at lave små computere.
And what's really neat about it -- well, actually, this all looks like nano-artwork, but it turns out that nano-artwork is just what you need to make nano-circuits. So, you can put circuit components on the staples, like a light bulb and a light switch. Let the thing assemble, and you'll get some kind of a circuit. And then you can maybe wash the DNA away and have the circuit left over. So, this is what some colleagues of mine at Caltech did. They took a DNA origami, organized some carbon nano-tubes, made a little switch, you see here, wired it up, tested it and showed that it is indeed a switch. Now, this is just a single switch and you need half a billion for a computer, so we have a long way to go. But this is very promising because the origami can organize parts just one-tenth the size of those in a normal computer. So it's very promising for making small computers.
Jeg vil tilbage til den kompilator. DNA origami er bevis på at den kompiler faktisk fungerer. Man begynder med noget i computeren. Man får en højniveaubeskrivelse af computerprogrammet, en højniveaubeskrivelse af origamien. Man kan kompilere det til molekyler, sende det til en syntesiser, og det fungerer faktisk. Og det viser sig at et firma har lavet et fint program der er meget bedre end min kode, som var temmelig grim, og vil tillade os at gøre dette på en fin, visuel, computer-assisteret design måde.
Now, I want to get back to that compiler. The DNA origami is a proof that that compiler actually works. So, you start with something in the computer. You get a high-level description of the computer program, a high-level description of the origami. You can compile it to molecules, send it to a synthesizer, and it actually works. And it turns out that a company has made a nice program that's much better than my code, which was kind of ugly, and will allow us to do this in a nice, visual, computer-aided design way.
Nu kan man sige, okay, hvorfor er DNA origamien ikke slutningen på historien? Man har en molekylær kompiler, man kan gøre hvad man vil. Faktummet er at det ikke er skalerbart. Så hvis man vil bygge et menneske fra DNA origami, er problemet, at man har brug for en lang streng der er 10 billioner billioner baser langt. Det er tre lysårs DNA, så det vil vi ikke gøre. Vi vil vende os mod en anden teknologi, der hedder algoritmisk selvsamling af fliser. Det blev startet af Erik Winfree, og det virker ved at, det har fliser der er en hundrededel størrelse af DNA origami. Man zoomer ind, der er bare fire DNA strenge og de har små enkeltstrengede dele på sig der kan binde sig til andre fliser, hvis de matcher. Og vi tegner gerne disse fliser som små kvadrater. Og hvis man ser på deres klæbende ender, disse små DNA stumper, kan man se at de faktisk former et skakbrætmønster. Disse fliser ville skabe et kompliceret, selvsamlende skakbræt. Og pointen med dette er, hvis I ikke fangede den, er at fliserne på en måde er et molekylært program og de kan lave mønstre. Og en virkelig fantastisk del af dette er at ethvert computerprogram kan oversættes til et af disse fliseprogrammer -- for eksempel et der tæller. Man kan finde på et sæt fliser der, når de samler sig, skaber en lille binær tæller i stedet for et skakbræt. Man kan læse de binære numre fem, seks og syv.
So, now you can say, all right, why isn't DNA origami the end of the story? You have your molecular compiler, you can do whatever you want. The fact is that it does not scale. So if you want to build a human from DNA origami, the problem is, you need a long strand that's 10 trillion trillion bases long. That's three light years' worth of DNA, so we're not going to do this. We're going to turn to another technology, called algorithmic self-assembly of tiles. It was started by Erik Winfree, and what it does, it has tiles that are a hundredth the size of a DNA origami. You zoom in, there are just four DNA strands and they have little single-stranded bits on them that can bind to other tiles, if they match. And we like to draw these tiles as little squares. And if you look at their sticky ends, these little DNA bits, you can see that they actually form a checkerboard pattern. So, these tiles would make a complicated, self-assembling checkerboard. And the point of this, if you didn't catch that, is that tiles are a kind of molecular program and they can output patterns. And a really amazing part of this is that any computer program can be translated into one of these tile programs -- specifically, counting. So, you can come up with a set of tiles that when they come together, form a little binary counter rather than a checkerboard. So you can read off binary numbers five, six and seven.
Og for at starte denne slags beregninger rigtigt op, har man brug for en eller anden form for input, et slags kim. Man kan bruge DNA origami til det. Man kan kode tallet 32 i den højre side af DNA origami, og når man tilføjer de fliser der tæller, begynder de at tælle -- de vil læse det 32 og de stopper ved 32. Det vi har gjort er at vi har fundet på en måde til at have et molekylært program der ved hvornår det skal stoppe med at vokse. Det ved hvornår det skal stoppe med at vokse fordi det kan tælle. Det ved hvor stort det er. Det svarer på den slags første spørgsmål som jeg talte om. Det fortæller os, dog, ikke hvordan babyer gør det.
And in order to get these kinds of computations started right, you need some kind of input, a kind of seed. You can use DNA origami for that. You can encode the number 32 in the right-hand side of a DNA origami, and when you add those tiles that count, they will start to count -- they will read that 32 and they'll stop at 32. So, what we've done is we've figured out a way to have a molecular program know when to stop going. It knows when to stop growing because it can count. It knows how big it is. So, that answers that sort of first question I was talking about. It doesn't tell us how babies do it, however.
Nu kan vi bruge denne tælling til at prøve at få gang i meget større ting end DNA origami ellers kunne. Her er DNA origamien, og det vi kan gøre er at vi kan skrive 32 på begge kanter af DNA origamien, og vi kan nu bruge vores vandkande og vande med fliser, og vi kan begynde at dyrke fliser ud fra det og skabe et kvadrat. Tælleren virker som en skabelon til at udfylde en kvadrat i midten af denne ting. Det vi har gjort er at vi har haft succes med at lave noget der er meget større end en DNA origami ved at kombinere DNA origami med fliser. Og den fede ting ved dette er, at det også er reprogrammerbart. Man kan bare ændre et par af DNA strengene i denne binære repræsentation og man får 96 i stedet for 32. Og hvis man gør det, er origamien den samme størrelse, men det resulterende kvadrat man får er tre gange større.
So now, we can use this counting to try and get at much bigger things than DNA origami could otherwise. Here's the DNA origami, and what we can do is we can write 32 on both edges of the DNA origami, and we can now use our watering can and water with tiles, and we can start growing tiles off of that and create a square. The counter serves as a template to fill in a square in the middle of this thing. So, what we've done is we've succeeded in making something much bigger than a DNA origami by combining DNA origami with tiles. And the neat thing about it is, is that it's also reprogrammable. You can just change a couple of the DNA strands in this binary representation and you'll get 96 rather than 32. And if you do that, the origami's the same size, but the resulting square that you get is three times bigger.
Dette opsummerer på en måde det jeg fortalte jer om biologisk udvikling. Man har et meget følsomt computerprogram hvor små ændringer -- enkelte, små, bittesmå mutationer -- kan tage noget der lavede kvadrater i en størrelse og lave noget der er meget større. Dette at bruge tælling til at beregne og bygge denne slags ting ved hjælp af denne slags udviklingsmæssige process er noget der også har betydning for Craig Venters spørgsmål. Man kan spørge, hvor mange DNA strenge er der brug for for at bygge en firkant af en given størrelse? Hvis vi ville lave en firkant i størrelsen 10, 100 eller 1.000, hvis vi udelukkende brugte DNA origami, skulle vi bruge et antal DNA strenge der er kvadratet af størrelsen af den firkant; så vi skulle bruge 100, 10.000 eller en million DNA strenge. Det har vi ikke råd til. Men hvis vi bruger en lille smule beregning -- vi bruger origami, plus nogle fliser der tæller -- så kan vi komme afsted med at bruge 100, 200 eller 300 DNA strenge. Så vi kan reducere antallet af DNA strenge vi bruger eksponentielt, hvis vi bruger tælling, hvis vi bruger en lille smule beregning. Så beregning er en meget kraftfuld måde at reducere antallet af molekyler man har brug for at bygge noget på, til at reducere størrelsen på det genom som man bygger.
So, this sort of recapitulates what I was telling you about development. You have a very sensitive computer program where small changes -- single, tiny, little mutations -- can take something that made one size square and make something very much bigger. Now, this -- using counting to compute and build these kinds of things by this kind of developmental process is something that also has bearing on Craig Venter's question. So, you can ask, how many DNA strands are required to build a square of a given size? If we wanted to make a square of size 10, 100 or 1,000, if we used DNA origami alone, we would require a number of DNA strands that's the square of the size of that square; so we'd need 100, 10,000 or a million DNA strands. That's really not affordable. But if we use a little computation -- we use origami, plus some tiles that count -- then we can get away with using 100, 200 or 300 DNA strands. And so we can exponentially reduce the number of DNA strands we use, if we use counting, if we use a little bit of computation. And so computation is some very powerful way to reduce the number of molecules you need to build something, to reduce the size of the genome that you're building.
Og til slut, går jeg tilbage til den på en eller anden måde skøre ide, om computere der bygger computere. Hvis man ser på firkanten man bygger med origami og nogle tællere der vokser ud af den, er mønsteret den har præcis det mønster man har brug for til at lave hukommelse. Hvis man fæster nogle ledninger og kontakter til de fliser -- i stedet for til de simple strenge, fæster man dem til fliserne -- så vil de selv-samle de delvist komplicerede kredsløb, de multiplekser kredsløb, som man har brug for til at adressere hukommelsen. Man kan faktisk lave et kompliceret kredsløb ved hjælp af en lille smule beregning. Det er en molekylær computer der bygger en elektronisk computer. Hvis man spørger mig, hvor langt vi er kommet på denne vej? Eksperimentelt er dette hvad vi har gjort det sidste år. Her er DNA origami rektanglet, og her er nogle fliser der vokser ud fra den. Og man kan se hvordan de tæller. En, to, tre, fire, fem, seks, ni, 10, 11, 12, 17. Den har altså nogle fejl, men den tæller i det mindste opad. (Latter)
And finally, I'm going to get back to that sort of crazy idea about computers building computers. If you look at the square that you build with the origami and some counters growing off it, the pattern that it has is exactly the pattern that you need to make a memory. So if you affix some wires and switches to those tiles -- rather than to the staple strands, you affix them to the tiles -- then they'll self-assemble the somewhat complicated circuits, the demultiplexer circuits, that you need to address this memory. So you can actually make a complicated circuit using a little bit of computation. It's a molecular computer building an electronic computer. Now, you ask me, how far have we gotten down this path? Experimentally, this is what we've done in the last year. Here is a DNA origami rectangle, and here are some tiles growing from it. And you can see how they count. One, two, three, four, five, six, nine, 10, 11, 12, 17. So it's got some errors, but at least it counts up. (Laughter)
Det viser sig, at vi faktisk fik denne ide for ni år siden, og det er omkring tidskonstanten det tager at gøre denne slags ting, så jeg tror vi gjorde store fremskridt. Vi har ideer om hvordan man ordner disse fejl. Og jeg tror at i løbet af de næste fem eller 10 år, laver vi den slags firkanter som jeg beskrev og måske endda nogle af de selv-samlende kredsløb.
So, it turns out we actually had this idea nine years ago, and that's about the time constant for how long it takes to do these kinds of things, so I think we made a lot of progress. We've got ideas about how to fix these errors. And I think in the next five or 10 years, we'll make the kind of squares that I described and maybe even get to some of those self-assembled circuits.
Hvad vil jeg gerne have at I tager med jer fra dette foredrag? Jeg vil gerne have, at I husker at for at skabe livets meget mangfoldige og komplekse former, bruger livet beregning for at gøre det. Og beregningerne som det bruger, det er molekylære beregninger, og for at forstå dette og håndtere det bedre, som Feynman sagde, I ved, må vi bygge noget for at kunne forstå det. Så vi kommer til at bruge molekyler og omforme dette, genopbygge alt fra bunden, ved hjælp af DNA på måder som naturen aldrig havde tiltænkt, ved hjælp af DNA origami, og DNA origami til at lægge kimet til denne algoritmiske selv-samling.
So now, what do I want you to take away from this talk? I want you to remember that to create life's very diverse and complex forms, life uses computation to do that. And the computations that it uses, they're molecular computations, and in order to understand this and get a better handle on it, as Feynman said, you know, we need to build something to understand it. And so we are going to use molecules and refashion this thing, rebuild everything from the bottom up, using DNA in ways that nature never intended, using DNA origami, and DNA origami to seed this algorithmic self-assembly.
I ved, dette er alt sammen rigtig fedt, men det jeg gerne vil have I tager med jer fra dette foredrag, forhåbentlig fra nogle af disse store spørgsmål, er at denne molekylære programmering ikke kun handler om at skabe gadgets. Det handler ikke kun om at lave selv-samlende mobiltelefoner og kredsløb. Det det i virkeligheden handler om, er at tage computervidenskab og se på de store spørgsmål i et nyt lys, stille nye versioner af de store spørgsmål og prøve at forstå hvordan biologi kan lave sådanne utrolige ting. Tak. (Bifald)
You know, so this is all very cool, but what I'd like you to take from the talk, hopefully from some of those big questions, is that this molecular programming isn't just about making gadgets. It's not just making about -- it's making self-assembled cell phones and circuits. What it's really about is taking computer science and looking at big questions in a new light, asking new versions of those big questions and trying to understand how biology can make such amazing things. Thank you. (Applause)