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.
Con người tranh luận sôi nổi về định nghĩa của sự sống. Họ hỏi liệu định nghĩa đó gồm quá trình sinh sản, sự trao đổi chất hay tiến hoá. Và tôi không biết câu trả lời cho câu hỏi đó, nên tôi sẽ không trả lời bạn. Tôi sẽ nói rằng sự sống liên quan đến việc lập trình. Đây là một chương trình máy tính. Khởi động từ một tế bào, chương trình sẽ chạy, và cho kết quả là con người này; hay với một sự thay đổi nhỏ, kết quả sẽ là người này; hay với thay đổi nhỏ khác, là người này; hay với thay đổi lớn hơn, tạo ra con chó này, hay cái cây này, hoặc con cá voi này.
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.
Vậy nên giờ, nếu bạn ví von bộ gen thực sự là một chương trình, bạn sẽ xem Chris Anderson là kết quả của chương trình máy tính, cũng như Jim Watson, Craig Venter, cũng như tất cả chúng ta. Và khi tự thuyết phục bản thân rằng phép ví von này đúng, thì bạn sẽ thấy có nhiều nét tương đồng giữa chương trình di truyền và chương trình máy tính. Nhưng theo tôi, điều quan trọng nhất là mức độ nhạy cảm với các thay đổi nhỏ có thể dẫn đến thay đổi lớn trong quá trình phát triển sinh học - đầu ra. Một đột biến nhỏ có thể biến con ruồi hai cánh thành bốn cánh. Hoặc nó sẽ biến râu con ruồi thành chân. Hoặc như trong phim "Cô dâu công chúa," nó có thể tạo ra người có sáu ngón tay.
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.
Điểm mốc của các chương trình máy tính chỉ là sự nhạy cảm với những thay đổi nhỏ. Giả sử tài khoản ngân hàng của bạn là 1 đô, và bạn thay đổi một dấu chấm, bạn có thể có một nghìn đô. Vậy nên những thay đổi nhỏ này là thứ mà tôi nghĩ rằng chúng chỉ ra một sự tính toán phức tạp trong quá trình phát triển nằm dưới những thay đổi lớn.
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.
Vậy nên, tất cả điều này chỉ ra có những chương trình phân tử nằm dưới sinh vật học và nó cho ta thấy sức mạnh của các lập trình sinh học phân tử. Và điều tôi muốn làm là viết các lập trình phân tử, để phát triển công nghệ Và có rất nhiều người đang làm điều này, rất nhiều nhà sinh học tổng hợp, như Craig Venter. Và họ tập trung vào việc sử dụng tế bào. Họ định hướng tế bào. Vì vậy các bạn tôi, những nhà lập trình phân tử, và tôi tiếp cận theo hướng sinh học phân tử Chúng tôi quan tâm đến việc sử dụng DNA, RNA và protein, và tạo ra ngôn ngữ mới cho việc xây dựng những điều từ căn bản bằng các phân tử sinh học, hầu như không liên quan đến sinh vật học. Vì vậy, đây là tất cả bộ máy trong tế bào. Đây là một camera Bộ máy năng lượng của tế bào một vài công tắc để bật tắt gen, bộ xương tế bào, động cơ giúp bạn cử động cơ. Nhóm lập trình phân tử nhỏ của tôi đang cố tái tạo các phần này từ DNA. Chúng tôi không phải là người cuồng DNA, nhưng DNA là nguyên liệu rẻ nhất, dễ hiểu nhất và dễ lập trình nhất. Khi các vật liệu khác trở nên dễ sử dụng hơn -- có thể là protein -- chúng tôi sẽ thử với chúng.
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.
Nếu thành công, lập trình phân tử sẽ trông như thế nào? Bạn sẽ ngồi trước màn hình máy tính. Bạn sẽ thiết kế thứ gì đó như chiếc điện thoại di động, bằng một ngôn ngữ cấp cao, bạn sẽ mô tả chiếc di động đó. Sau đó sẽ có một máy biên soạn đem những mô tả đó và biến chúng thành những phân tử thật có thể được đưa đến máy tổng hợp và máy tổng hợp sẽ đóng gói các phân tử này vào trong hạt giống. Và chuyện gì sẽ xảy ra nếu bạn trồng và chăm sóc hạt giống đó, liệu nó có sẽ phát triển theo tiến trình đã tính trước một tính toán cấp phân tử, và nó sẽ tạo nên một máy tính điện tử. Và nếu tôi chưa nói rõ quan điểm của mình thì, tôi cho rằng sự sống luôn là các máy tính phân tử tạo nên các máy tính điện hoá, tạo nên các máy tính điện tử, mà sự kết hợp với máy tính điện hoá sẽ tạo nên máy tính phân tử mới, rồi sẽ tạo nên máy tính điện tử mới, và cứ thế.
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.
Và nếu bạn tin vào điều này, và bạn nghĩ sự sống là sự lập trình, như tôi vậy, thì bạn sẽ tiếp cận các câu hỏi lớn bằng đôi mắt của nhà khoa học máy tính. Vậy câu hỏi lớn là làm sao để đứa trẻ biết khi nào nó ngừng lớn lên? Và cho lập trình phân tử, câu hỏi là làm sao để chiếc điện thoại biết khi nào ngừng phát triển? (Cười lớn) Hay làm sao chương trình máy tính biết khi nào ngừng chạy? Hay hơn nữa, làm sao bạn biết liệu một chương trình có dừng lại? Còn có nhiều câu hỏi tương tự như vậy nữa. Một trong số đó là câu hỏi của Craig Venter Tôi nghĩ ông ta thật sự là một nhà khoa học máy tính. Ông ấy hỏi, bộ gen tối thiểu phải lớn bao nhiêu để cho ta một vi sinh vật có chức năng? Phải sử dụng tối thiểu chừng nào gen? Câu hỏi này giống hệt như, chương trình nhỏ nhất mà tôi có thể viết để hoạt động như Microsoft Word là gì? (Cười lớn) Và khi nói ông ấy viết ra một vi khuẩn nhỏ hơn, ông ấy đang viết bộ gen có thể hoạt động được, chúng ta có thể viết các chương trình nhỏ hơn mà hoạt động được như Microsoft Word.
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.
Nhưng với lập trình phân tử, câu hỏi là, có bao nhiêu phân tử cần đưa vào hạt giống để tạo ra một chiếc điện thoại? Con số nhỏ nhất là bao nhiêu? Hiện tại đây chính là những câu hỏi lớn với khoa học máy tính. Đây là những câu hỏi phức tạp, và khoa học máy tính cho thấy chúng là những câu hỏi khó. Hầu như - nhiều câu hỏi là bất khả thi. Nhưng với một số, chúng ta có thể bắt đầu tìm ra câu trả lời. Vậy nên tôi sẽ bắt đầu hỏi những câu hỏi cho cấu trúc DNA mà tôi sắp nói tới. Vậy, đây là một DNA bình thường mà bạn biết đến. Nó có hai chuỗi xoắn với nhau, và có các A, T, C, G bắt đôi để nối hai chuỗi với nhau. Và tôi sẽ vẽ như thế này, để không khiến bạn cảm thấy kì lạ. Ta quan tâm đến từng chuỗi riêng biệt thay vì hai chuỗi xoắn. Khi ta tổng hợp, kết quả chỉ là một chuỗi, và chúng ta có thể lấy chuỗi xanh dương trong một ống và tạo ra chuỗi cam ở ống khác, và chúng uốn éo khi ở dạng đơn chuỗi. Khi bạn trộn chúng lại, chúng sẽ tạo nên cấu trúc hai chuỗi xoắn. Trong vòng 25 năm gần đây, Ned Seeman và nhiều hậu duệ của ông đã làm việc cật lực và tạo ra cấu trúc 3D xinh đẹp này bằng phản ứng của các chuỗi DNA ghép lại với nhau. Nhưng phần lớn các phương pháp đó dù tinh tế, cũng mất nhiều thời gian. Chúng mất vài năm, hoặc rất khó để thiết kế.
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.
Nên vài năm trước tôi đã tìm ra một phương pháp mới gọi là DNA origami dễ dàng đến mức bạn có thể thực hiện ngay tại bếp nhà bạn và thiết kế món đồ từ máy tính xách tay. Nhưng để làm điều đó, bạn cần một chuỗi DNA đơn dài, và thực tế rất khó để có được nó. Do đó, bạn có thể tìm trong tự nhiên. Bạn có thể nhìn vào vật thể tạo thành từ máy tính này, người này có hệ gen với DNA đôi -- không tốt. Bạn tìm trong ruột. Có hàng tỉ vi khuẩn. Cũng không tốt. Cũng chuỗi đôi, nhưng bên trong, chúng bị nhiễm virus có bộ gen với một chuỗi đơn, dài, đẹp mà chúng ta có thể xếp như một mảnh giấy. Và đây là cách chúng tôi làm.
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.
Đây là một phần của bộ gen. Chúng tôi thêm một số đoạn DNA ngắn tổng hợp mà tôi gọi là kim dập. Mỗi DNA ngắn có một nửa bên trái gắn với sợi dài ở một đầu phía bên kia, và nửa bên phải gắn với một đầu khác, và nối chuỗi dài lại như thế này. Kết quả của chuỗi hoạt động của nhiều phân tử này trên chuỗi dài là để cuộn nó lại thành hình chữ nhật.
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.
Chúng tôi thật sự không thể quay phim lại quá trình này nhưng Shawn Douglas tại đại học Harvard đã làm cho chúng ta một mô hình bắt đầu bằng chuối dài và một vài chuỗi ngắn trên đó. Và những gì xảy ra khi chúng ta trộn những chuỗi đó lại với nhau. Chúng ta đun chúng lên, thêm một ít muối, chúng ta đun lên gần tới nhiệt độ sôi rồi làm nguội chúng. và trong quá trình làm nguội, chuỗi ngắn gắn vào chuỗi dài và bắt đầu hình thành cấu trúc. Bạn có thể thấy một ít chuỗi xoắn kép hình thành ở đây. Khi bạn nhìn vào DNA origami, bạn có thể thấy nó thực chất là gì, mặc dù bạn nghĩ nó phức tạp, nhưng nó chính là một nhúm các hình xoắn ốc xếp song song với nhau và chúng giữ lấy nhau tại vị trí các chuỗi ngắn chạy dọc chuỗi xoắn và sau đó nhảy qua chuỗi khác. Vì vậy có một chuỗi đi như thế này, chạy dọc và nối một chuỗi xoắn nó nhảy qua chuỗi kép còn lại và quay trở lại. Giữ cho chuối dài như thế này.
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?
Bây giờ, để cho các bạn thấy tôi có thể làm ra được bất kì hình dạng gì chúng ta muốn, tôi sẽ làm hình này Tôi muốn cuộn DNA thành một hình chạy lên trên con mắt, dưới cái mũi, trên cái mũi, vòng quanh trán, vòng xuống và kết thúc bằng cái vòng nhỏ như thế này. Vì lẽ đó, tôi nghĩ, nếu cái này làm được thì bất cứ cái gì cũng làm được. Tôi cho máy tính thiết kế các kim dập ngắn để làm điều này. Tôi đặt hàng, FedEx gửi cho tôi. Tôi trộn chúng lại, đun lên rồi để nguội và tôi có 50 tỉ hình mặt cười nhỏ xíu lơ lửng trong một giọt nước. Và một trong số chúng chỉ bằng 1/1000 bề rộng của một sợi tóc con người.
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.
Vậy, chúng trôi lơ lửng trong dung dịch, và để xem được chúng, bạn phải làm cho nó nổi lên bề mặt và kết chùm lại. Nên bạn đổ chúng ra trên bề mặt phẳng và chúng bắt đầu kết dính lại trên bề mặt đó, rồi chúng ta chụp ảnh chúng bằng kính hiển vi lực nguyên tử. Nó có một cây kim, như cây kim ghi chú, chạy qua lại bề mặt đó, di chuyển lên xuống để cảm nhận độ cao của bề mặt đầu tiên. Nó cảm nhận DNA origami. Có một kính hiển vi điện tử làm việc và bạn có thể thấy bề mặt của chúng hơi gồ ghề. Khi bạn phóng to lên, chúng có vài hàm yếu vắt qua đầu chúng, và một vài cái mũi bị vỡ ra, nhưng nhìn chung đều rất tốt. Bạn có thể phóng to và nhìn được cái vòng nhỏ đó, cái chòm râu dê siêu nhỏ này.
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.
Bây giờ, điều tuyệt vời là ai cũng có thể làm được việc này. Vậy nên, tôi nhận được cái này qua thư một năm sau khi tôi làm ra nó, không hứng thú cho lắm. Có ai biết cái này là gì không? Nó là gì? Trung Quốc phải không? Vậy nên, chuyện đã xảy ra là, một sinh viên cao học ở Trung Quốc Lulu Qian, làm một việc rất tốt. Cô ấy viết toàn bộ phần mềm để thiết kế và xây dựng DNA origami này, một tác phẩm tuyệt vời từ Trung Quốc, có cả Đài Loan nữa, và bạn có thể thấy nó đến từ nơi ít được kiểm soát nhất trên thế giới, đúng không? (Cười lớn) Do đó, nó chạy rất tốt, và bạn có thể làm ra mọi hình dạng và hoa văn. Bạn có thể làm được bản đồ nước Mỹ và đánh vần DNA bằng DNA
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.
Và điều khéo léo ở đây là, nó thực sự là một tuyệt tác của công nghệ nano nhưng tuyệt tác đó lại là thứ bạn cần để làm ra mạch điện nano. Do đó, bạn có thể đặt các phần của mạch điện vào khuôn, như bóng đèn và công tắc. Để cho nó tự lắp ráp và bạn sẽ có một kiểu mạch điện. Và bạn có thể rửa trôi DNA đi, để lại mỗi mạch điện thôi. Đây là thứ mà đồng nghiệp của tôi ở Caltech làm. Họ lấy DNA origami, sắp xếp thêm ống carbon nano làm một công tắc nhỏ, bạn thấy ở đây, nối dây lại, kiểm tra và chắc rằng nó là một công tắc. Bây giờ, nó chỉ là một công tắc đơn, và bạn cần cỡ nửa tỉ cái cho một máy tính, nên chúng ta cần phải làm rất nhiều. Nhưng nó rất triển vọng bởi vì origami có thể sắp xếp những phần chỉ cỡ 1/10 kích thước của chúng trong một máy tính bình thường Cho nên nó rất triển vọng trong việc tạo ra những máy tính nhỏ.
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.
Bây giờ, tôi muốn quay lại với máy biên dịch DNA origami là bằng chứng cho thấy máy biên dịch thật sự hoạt động. Bạn bắt đầu bằng thứ gì đó trong máy tính. Bạn đang có một mô tả cấp cao của chương trình máy tính, bản mô tả cấp cao của cái origami này. Bạn có thể biên dịch nó thành các phân tử, gửi tới máy tổng hợp, và nó đã có thể hoạt động. Hóa ra có một công ty làm ra phần mềm này tốt hơn những câu lệnh xấu xí của tôi sẽ cho phép chúng ta làm ra nó theo một cách đẹp, dễ nhìn, và được máy tính bổ trợ.
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.
Bây giờ bạn có thể hỏi rằng tại sao DNA origami không là đoạn kết câu chuyện? Bạn có máy biên dịch phân tử, bạn có thể làm được bất cứ thứ gì bạn muốn Thực tế nó không được dùng như vậy. Nếu bạn muốn tạo ra một con người từ DNA origami, bạn sẽ cần một chuỗi rất dài, 10 triệu tỷ tỷ base. Nó sẽ là đoạn DNA dài 3 năm ánh sáng, nên chúng ta sẽ không làm điều đó. Chúng ta sẽ chuyển sang công nghệ khác, gọi là thuật toán tự dịch mã của viên gạch Nó được khởi xướng bởi Erik Winfree, và những gì nó làm là, tạo ra các viên gạch chỉ bằng 1/100 lần kích cỡ của DNA origami. Bạn phóng to nó lên, bạn chỉ thấy bốn sợi DNA và chúng có những sợi đơn nhỏ hơn bện vào để kết nối với những viên khác, nếu trùng khớp. Và chúng ta sẽ vẽ những viên gạch này như những hình vuông nhỏ. Nếu như bạn nhìn vào đuôi của các đoạn DNA nhỏ này, bạn có thể thấy chúng thực sự tạo thành hoa văn bàn cờ. Vậy nên, những viên gạch này làm nên một bàn cờ tự ráp phức tạp. Và cái chính ở đây là, nếu bạn không hiểu được, những viên gạch đó là một dạng lập trình phân tử và nó có thể cho ra một hoa văn nhất định. Và phần thú vị của nó ở đây là mọi chương trình máy tính đều có thể được dịch ra thành một trong các chương trình viên gạch này, đặc biệt là việc tính toán. Nên bạn có thể nghĩ ra một tập hợp các viên gạch mà khi kết nối với nhau, tạo ra một bộ đếm nhị phân nhỏ hơn là một bàn cờ. Do đó bạn có thể đọc được số nhị phân của năm, sáu, và bảy.
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.
Và muốn phép toán này đúng ngay từ lúc khởi đầu, bạn cần một đầu vào, một kiểu hạt giống. Bạn có thể dùng DNA origami làm hạt giống. Bạn có thể mã hóa con số 32 vào phía bên phải của DNA origami, và khi bạn thêm những viên gạch vào bộ đếm nó sẽ bắt đầu đếm, nó sẽ đọc 32 con số và sẽ dừng ở 32. Vậy nên điều chúng tôi đã làm là tìm ra một chương trình phân tử biết chỗ nào phải dừng. Nó biết lúc nào cần dừng phát triển vì nó có thể đếm được. Nó biết nó đã lớn được bao nhiêu. Vậy nên nó đã trả lời được câu hỏi đầu tiên tôi nêu ra. Nhưng nó vẫn chưa trả lời được liệu em bé có thể làm được việc đó không.
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.
Vậy bây giờ chúng ta sẽ dùng cách đếm này và cố gắng áp đặt cho những vật lớn hơn DNA origami có thể làm. Đây là DNA origami, và điều ta có thể làm là viết 32 con số lên hai cạnh của nó, và ta có thể dùng cái bình tưới cây thêm vào đó những viên gạch, và bắt đầu trồng những viên gạch và tạo ra một ô vuông. Bộ đếm hoạt động như một bộ khuôn để làm đầy ô vuông ở chính giữa của nó. Do đó, chúng ta đã thành công trong việc làm ra thứ gì đó lớn hơn nhiều so với DNA origami bằng cách kết hợp DNA origami với các viên gạch. Và điều dễ dàng ở đây là chúng có thể được tái lập trình. Bạn có thể chỉ thay đổi vài sợi DNA trong chuỗi nhị phân này và bạn sẽ có 96 con số thay vì 32. Nếu như bạn làm như vậy, khối origami vẫn giữ nguyên kích thước, nhưng kết quả bạn sẽ nhận được khối vuông lớn gấp ba lần khối ban đầu.
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.
Tóm lại, điều tôi muốn nói ở đây là sự phát triển. Bạn có một chương trình máy tính rất nhạy cảm khi mà mọi thay đổi nhỏ -- những đột biến lẻ, rất nhỏ thôi -- có thể thay đổi một khối vuông với kích cỡ đầu và tạo ra thứ lớn hơn nhiều lần. Bây giờ, sử dụng kiểu đếm này để tính toán và xây dựng nên những thứ này bằng cách phát triển đã nói trên phần nào đã trả lời được câu hỏi của Craig Venter. Do đó, bạn có thể hỏi cần bao nhiêu sợi DNA để làm ra khối vuông với kích thước định sẵn? Nếu ta muốn khối vuông đó có kích thước cỡ 10, 100 hay 1000 Nếu chỉ sử dụng DNA origami, ta sẽ cần một lượng sợi DNA vừa với kích cỡ của khối vuông; vậy là 100, 10 000, thậm chí cả triệu sợi DNA. Điều đó nằm ngoài khả năng của ta. Nhưng nếu như ta sử dụng một ít tính toán ở đây dùng origami, cộng thêm vài viên gạch có thể đếm được, chúng ta sẽ chỉ cần dùng 100, 200 hoặc 300 sợi DNA. Có thể thấy, ta có thể giảm theo hàm số mũ số lượng sợi DNA ta cần dùng, nếu ta sử dụng cách tính trên và một vài tính toán nho nhỏ. Vì vậy việc tính toán có sức mạnh lớn trong việc giảm số phân tử bạn cần để tạo ra thứ gì đó, giảm kích thước bộ gen bạn đang xây dựng.
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)
Cuối cùng, tôi sẽ quay lại với cái ý tưởng điên rồ ban đầu về việc máy tính tạo ra máy tính. Nếu như bạn nhìn vào khối vuông bạn tạo ra bằng origami và một vài bộ đếm lớn lên từ đó, hoa văn của nó chính là hoa văn bạn cần để tạo nên bộ nhớ. Vậy nên nếu bạn thêm vài sợi dây nối và chuyển vào các viên gạch thay vì vào các sợi DNA kim dập chúng sẽ tự lắp ráp thành những mạch điện phức tạp, mạch phân giải tín hiệu, mà bạn cần thêm vào bộ nhớ này. Do đó bạn có thể tự làm ra một mạch điện phức tạp sử dụng một chút tính toán. Đó chính là máy tính phân tử xây dựng máy tính điện tử. Bây giờ, bạn hỏi chúng tôi đã đi theo hướng này được bao lâu rồi? Về mặt thực nghiệm, đây là những gì chúng tôi đã làm trong suốt năm qua. Đây là một DNA origami hình tam giác, và đây là những viên gạch bên trong nó. Và bạn có thể thấy cách nó đếm như thế nào 1, 2, 3 ,4 ,5 ,6, 9, 10, 11, 12, 17. Nó có sai sót tí, nhưng ít ra nó vẫn đếm lên (Cười lớn)
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.
Thật ra chúng tôi đã có ý tưởng này từ chín năm trước rồi, và đó là khoảng thời gian cần thiết để có thể làm ra được thứ như vầy, nên tôi nghĩ rằng chúng tôi đã làm được kha khá thứ. Chúng tôi cũng lên ý tưởng sửa chữa các lỗi này. Và tôi nghĩ trong 5 năm hay 10 năm nữa, tôi sẽ làm được những khối vuông kiểu này và có thể làm ra được những mạch điện tự ráp khác nữa.
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.
Vì thế, tôi muốn bạn rút ra được kết luận gì sau bài nói này? Tôi muốn bạn nhớ rằng để tạo nên sự sống phong phú và phức tạp như bây giờ, cuộc sống cần tính toán để làm được điều đó. Và việc tính toán đó dựa trên lập trình phân tử và để có thể hiểu được điều này và sử dụng nó tốt hơn, như Feynnan từng nói, chúng ta cần xây dựng thứ gì đó để hiểu về nó. Vậy nên ta sẽ sử dụng phân tử và tái lập trình lại thứ này, xây dựng mọi thứ lại từ đầu, sử dụng DNA theo cách tự nhiên chưa bao giờ dùng, sử dụng DNA origami, và DNA origami để ươm mầm nên thuật toán tự ráp này.
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)
Bạn biết đó, tất cả điều này rất hay, nhưng thứ tôi muốn bạn mang về sau buổi nói chuyện này, từ một vài câu hỏi lớn, là lập trình phân tử này không phải chỉ về tạo ra đồ vật. Nó không phải chỉ tạo ra ---- nó tạo ra điện thoại và mạch điện tự ráp. Điều trọng tâm của nó là đem khoa học máy tính và nhìn vào các câu hỏi lớn dưới góc nhìn khác, thêm vào vài phiên bản khác của các câu hỏi này và cố gắng hiểu được làm cách nào sinh học có thể làm được những điều phi thường. Cảm ơn. (Vỗ tay)