Sie wissen, ich habe über einige dieser Projekte bereits zuvor gesprochen,
über das menschliche Genom und was das bedeuten könnte,
und über die Entdeckung neuer Gruppen von Genen.
Tatsächlich starten wir von einem neuen Punkt:
Wir haben die Biologie digitalisiert
und jetzt versuchen wir vom digitalen Code
in eine neue Phase der Biologie zu gelangen
indem wir neues Leben gestalten und aufbauen.
Wir haben immer versucht bedeutende Fragen zu stellen.
Was ist Leben? Es ist etwas, wovon ich glaube, dass viele Biologen
versucht haben zu verstehen und
das auf unterschiedlichen Ebenen.
Wir haben verschiedene Ansätze versucht
um es bis auf die minimalen Komponenten zu vereinfachen.
Wir haben nahezu 20 Jahre digitalisiert.
Als wir das Humangenom sequenziert haben
vollzog sich der Wechsel von der analogen Welt der Biologie
zur digitalen Welt der Computer.
Nun versuchen wir zu fragen, ob wir Leben regenerieren können
oder ob wir neues Leben erstellen können,
aus diesem digitalen Universum?
Das ist die Karte eines kleinen Organismus,
Mycoplasma geitalium,
der das kleinste Genom einer Spezies besitzt
die sich selbst im Labor replizieren kann.
Und wir haben versucht ob wir
das mit einem noch kleineren Genom erreichen können.
Wir haben es geschafft auf ungefähr einhundert Gene zu verzichten
von den 500 oder so, die hier sind.
Aber wenn wir uns diese metabolische Karte ansehen,
die sehr simpel ist,
im Vergleich zu unserer.
Vertrauen Sie mir, das ist simpel.
Aber wenn wir uns alle diese Gene ansehen
die wir eines nach dem anderen eliminieren können
ist es sehr unwahrscheinlich dass dies zu einer lebenden
Zelle führen würde.
Daher haben wir uns entschlossen, dass es der einzige Weg
nach Vorne ist dieses Chromosom tatsächlich zu synthetisieren
was uns erlaubt die einzelnen Komponenten zu variieren
und somit einige dieser fundamentalen Fragen zu stellen.
Und so fingen wir an mit der Frage,
können wir ein Chromosom synthetisieren?
Ermöglicht es die Chemie
diese wirklich großen Moleküle zu erstellen
was noch nie zuvor gemacht wurde?
Und, wenn wir das können, können wir das Chromosom starten?
Ein Chromosom ist so nebenbei nur ein Stück inertes chemisches Material.
Unsere Schritte bei der Digitalisierung des Lebens
waren exponentiell.
Unsere Fähigkeit genetischen Code zu schreiben
hat sich sehr langsam entwickelt
aber trotzdem gesteigert.
Und unser letzter Punkt würde jetzt auf eine exponentielle Kurve setzen.
Wir haben vor 15 Jahren damit begonnen.
Es dauerte tatsächlich einige Jahre
beginnend mit einem bioethischen Review bevor wir die ersten Experimente machten.
Wie sich herausstellte ist DNA-Synthetisierung
sehr schwierig.
Es gibt zehntausende Maschinen rund um die Welt
die kleine Stücke von DNA herstellen können,
30 bis 50 Buchstaben lang
aber es ist ein degenerativer Prozess, also je länger man ein Stück macht,
umso mehr Fehler passieren.
Also mussten wir eine neue Methode entwickeln
mit der wir diese kleinen Stücke zusammensetzen und die Fehler korrigieren konnten.
Das war unser erster Versuch, beginnend mit der digitalen Information,
des Genoms Phi X 174.
Es ist ein kleiner Virus der Bakterien tötet.
Wir erstellten kleine Stücke, machten eine Fehlerkorrektur
und hatten ein DNA Molekül
von ungefähr 5.000 Buchstaben.
Die spannende Phase kam als wir dieses Stück inerte Chemikalie nahmen
und in ein Bakterium gaben,
und das Bakterium begann den genetischen Code zu lesen
und machte virale Partikel.
Die viralen Partikel wurden dann von den Zellen freigegeben
und kamen zurück und töteten E. coli.
Kürzlich habe ich mit der Ölindustrie gesprochen
und sie sagten dass sie dieses Modell genau verstünden.
(Lachen)
Sie lachten mehr als ihr es hier tut.
So denken wir, dass das eine Situation ist
in der Software tatsächlich die eigene Hardware bauen kann
in einem biologischen System.
Aber wir wollten noch viel weiter gehen.
Wir wollten ein gesamtes bakterielles Chromosom bauen.
Es hat mehr als 580.000 Buchstaben genetischen Code.
So dachten wir uns, wir bauen es in Kassetten von der Größe des Virus
womit wir die Größe der Kassetten variieren konnten
um zu verstehen
was die einzelnen Komponenten einer lebenden Zelle sind.
Design ist der Schlüssel,
und wenn man mit digitaler Information im Computer starten will
muss diese digitale Information wirklich fehlerfrei sein.
Als wir das Genom erstmals 1995 sequenziert haben
war die Fehlerrate bei einem Fehler pro 10.000 Basenpaare.
Wir fanden beim resequenzieren
30 Fehler. Wenn wir die originale Sequenz verwendet hätten
wäre es nie möglich gewesen hochzufahren.
Ein Teil des Designs ist es, Stücke zu erstellen
die 50 Buchstaben lang sind
und die mit anderen 50-Buchstaben Stücken überlappen müssen,
um kleinere Sub-Einheiten zu bauen
damit diese zusammenpassen.
Wir haben einzigartige Elemente hier eingebaut.
Sie haben vielleicht gehört dass wir Waterzeichen eingebaut haben.
Denken Sie darüber nach:
Wir haben einen 4-Buchstaben Code: A, C, G und T.
Triplets dieser Buchstaben -- diese Buchstaben
kodieren ungefähr 20 Aminosäuren;
und hier gibt es eine einzelne Bestimmung
für jede dieser Aminosäuren.
Also können wir den genetischen Code verwenden um unsere Wörter zu schreiben,
Sätze, Gedanken.
Anfangs haben wir nur unterschrieben.
Manche Menschen waren enttäuscht dass es keine Poesie war.
Wir haben die Stücke so konstruiert
dass wir sie einfach mit Enzymen zerlegen konnten.
Es gibt Enzyme die diese reparieren und wieder zusammenfügen.
Und wir haben angefangen Stücke zu erstellen,
beginnend mit Stücken die fünf- bis siebentausend Buchstaben enthielten,
fügten diese aneinander um 24.000-Buchstaben-Stücke zu machen
um diese wieder zusammenzufügen, bis zu 72.000.
In jedem Schritt haben wir diese Stücke im Überschuss produziert
damit wir sie sequenzieren konnten,
weil wir versuchten einen sehr robusten Prozess zu kreieren
was Sie in einer Minute sehen werden.
Wir haben versucht zum Punkt der Automation zu gelangen.
Also, das sieht aus wie ein Basketball-Playoff.
Wenn wir zu diesen richtig großen Stücken gelangen --
mit über 100.000 Basenpaaren --
dann werden diese nicht einfach in E. coli wachsen.
Es übersteigt alle Möglichkeiten der modernen Molekularbiologie.
Und so wandten wir uns anderen Mechanismen zu.
Wir wussten von einem Mechanismus der homologe Rekombination genannt wird,
den die Biologie verwendet um DNA zu reparieren,
die solche Stücke zusammenfügen kann.
Hier ist ein Beispiel davon.
Es gibt einen Organismus namens
Deinococcus radiodurans
der drei Millionen Rad an Strahlung übersteht.
Sie sehen im oberen Feld, dass sein Chromosom einfach auseinander fällt.
12 bis 24 Stunden später, hat sich alles
wieder so zusammengefügt wie es war.
Wir haben tausende Organismen die das tun können.
Diese Organismen können total ausgetrocknet werden,
sie können sogar im Vakuum leben.
Ich bin absolut sicher dass Leben im Weltraum existieren und
sich bewegen kann, auf der Suche nach aquatischen Bedingungen.
Tatsächlich, die NASA hat gezeigt dass es vieles davon dort draußen gibt.
Hier ist eine Gefügeaufnahme von dem Molekül das wir hergestellt haben
indem wir diese Prozesse benutzt haben - tatsächlich haben wir nur Hefe-Mechanismen verwendet
mit dem richtigen Design der Stücke haben wir sie eingepasst.
Hefe fügt diese dann automatisch zusammen.
Das ist keine Elektronenmikroskopaufnahme
es ist eine reguläre Mikroskopaufnahme.
Es ist so ein großes Molekül,
dass wir es sogar mit dem Lichtmikroskop sehen können.
Das sind Aufnahmen über eine Dauer von 6 Sekunden.
Das ist die Publikation die wir erst kürzlich fertig gestellt haben.
Das sind über 580.000 Buchstaben an genetischem Code.
Es ist das größte Molekül mit definierter Struktur das jemals von Menschen erschaffen wurde.
Es hat ein Molekulargewicht von über 300 Millionen.
Wenn wir es mit einer Schriftgröße von 10 und ohne Abstände ausdrucken würden
würde es 142 Seiten umfassen,
nur um diesen genetischen Code auszudrucken.
Nun, wie starten wir ein Chromosom? Wie aktivieren wir es?
Offensichtlich ist, dass es mit einem Virus sehr simpel ist.
Es ist viel komplizierter mit Bakterien umzugehen.
Es ist ebenso einfacher wenn man es in
Eukaryonten wie wir es sind tut:
man nimmt einfach den Nukleus raus
und gibt einen anderen hinein,
und das ist genau das was Sie alle über das Klonen gehört haben.
Bei Archaebakterien ist das Chromosom in die Zelle integriert
aber erst kürzlich haben wir gezeigt, dass man eine komplette Transplantation
eines Chromosoms von einer Zelle zur anderen vornehmen kann
und diese aktivieren kann.
Wir reinigten das Chromosom einer Mikrobenspezies.
Grob gesagt, sind diese beiden soweit voneinander entfernt wie Menschen und Mäuse.
Wir gaben einige Extra-Gene dazu
damit wir dieses Chromosom auswählen konnten.
Wir zersetzten es mit Enzymen
um alle Proteine zu zerstören.
Und es war sehr erstaunlich als wir es in eine Zelle gaben --
und Sie werden unsere sehr
ausgereiften Graphiken hier schätzen --
das neue Chromosom ging in die Zelle.
Tatsächlich dachten wir, dass hier das Ende ist,
aber wir haben versucht den Prozess etwas weiter zu bringen.
Das ist der Hauptmechanismus der Evolution hier.
Wir finden alle Arten von Spezies hier
die ein zweites Chromosom aufgenommen haben
oder ein drittes von irgendwoher,
jedes Mal tausende Charakteristiken
in nur einer Sekunde zu einer Spezies hinzufügend.
Menschen also, die sich Evolution vorstellen
als ein Gen das zu einem Zeitpunkt geändert wird
haben viel von der Biologie verpasst.
Es gibt Enzyme die Restriktionsenzyme genannt werden
die tatsächlich DNA verdauen.
Das Chromosom das in der Zelle war
hat keines;
die Chromosomen die wir eingefügt haben schon.
Es wurde in der Zelle exprimiert und erkannte
das andere Chromosom als fremdes Material
verdaute es und so hatten wir am Ende
nur eine Zelle mit einem neuen Chromosom.
Es verfärbte sich blau wegen der Gene die wir eingefügt hatten.
Und nach einer sehr kurzen Zeit
hatte es alle Charakteristika der Spezies verloren
und konvertierte komplett in eine neue Spezies
basierend auf der neuen Software die wir in die Zelle gegeben haben.
Alle Proteine änderten sich
die Membranen änderten sich --
als wir den genetischen Code lasen, war es genau das was wir transferiert haben.
Es mag wie genomische Alchimie klingen,
aber wir können, indem wir die Software-DNA verschieben,
Dinge ziemlich dramatisch verändern.
Nun habe ich argumentiert, dass dies nicht die Genesis ist --
das basiert auf 3,5 Milliarden Jahren Evolution
und ich habe argumentiert dass wir möglicherweise dabei sind
eine neue Form der Kambrischen Explosion zu erschaffen
in der es massive neue Artenbildung
basierend auf diesem digitalen Design geben könnte.
Warum sollten wir das tun?
Ich denke es ist ziemlich offensichtlich im Hinblick auf was wir brauchen.
Wir sind dabei von sechseinhalb
zu neun Milliarden Menschen in den nächsten 40 Jahre anzuwachsen.
Um es in meinen Zusammenhang zu stellen:
Ich wurde im Jahr 1946 geboren.
Heute sind drei Menschen auf diesem Planeten
für jeden der im Jahr 1946 existiert hat;
innerhalb von 40 Jahren werden es vier sein.
Wir haben Probleme mit Nahrungsmitteln, mit frischem und sauberem Wasser,
Medizin, Treibstoff
für 6,5 Milliarden Menschen.
Es wird eine Herausforderung das für 9 anzubieten.
Wir brauchen über fünf Milliarden Tonnen Kohle,
30-Plus Milliarden Fässer Öl.
Das sind hundert Millionen Fässer am Tag.
Wenn wir über biologische Prozesse nachdenken
oder irgendeinen Prozess um das zu ersetzen,
wird es eine riesige Herausforderung.
Dann, natürlich, gibt es das ganze
CO2 von diesem Material
das in der Atmosphäre landet.
Wir haben nun, aus unseren Entdeckungen aus der ganzen Welt,
eine Datenbank mit ungefähr 20 Millionen Genen,
und ich möchte daran glauben dass diese die Designkomponenten der Zukunft sind.
Die Elektronikindustrie hatte ein Dutzend Komponenten
und sehen Sie sich die Vielfalt an die daraus entstand.
Wir stoßen hier in erster Linie
an die Grenzen der biologischen Realität
und an jene unserer Vorstellung.
Wir haben heute Technologien
aufgrund dieser schnellen Synthesemethoden,
um das zu tun was wir Kombinatorische Genetik nennen.
Wir haben nun die Möglichkeit einen großen Roboter zu bauen
der Millionen von Chromosomen am Tag herstellen kann.
Wenn Sie sich vorstellen diese 20 Millionen unterschiedlichen Gene herzustellen
oder diese Prozesse zu optimieren
um Oktan herzustellen oder Medikamente
neue Impfstoffe,
wir können mit einem nur kleinen Team
mehr Molekularbiologie verändern
als die letzten 20 Jahre Wissenschaft.
Und es ist nur nurmale Selektion.
Wir können nach Lebensfähigkeit selektieren,
Produktion von Chemikalien oder Treibstoffproduktion
Impfstoffproduktion und so weiter.
Das ist eine Aufnahme
von wirklicher Design-Software
an der wir arbeiten, mit der man sich tatsächlich hinsetzen
und neue Spezies am Computer designen kenn
Wissen Sie, wir wissen nicht unbedingt wie es aussehen wird.
Wir wissen exakt wie deren genetischer Code aussehen wird.
Wir konzentrieren uns nun auf Treibstoffe der vierten Generation.
Sie haben kürzlich Mais zu Ethanol gesehen
was einfach ein schlechtes Experiment ist.
Wir haben Treibstoffe der zweiten- und dritten Generation
die relativ bald herauskommen werden
die viel höhere Zuckerwertigkeiten haben werden,
wie Oktan oder unterschiedliche Arten von Butanol.
Aber, wie wir denken, die einzige Art damit Biologie
einen großen Einfluss ohne
weitere Steigerung der Kosten auf Nahrungsmittel oder der Einschränkung von deren Verfügbarkeit
haben wird ist, wenn wir CO2 als Ausgangsmaterial sehen,
und daher arbeiten wir an Zellen die diesen Weg gehen,
und wir denken dass wir die ersten mit Treibstoffen der vierten Generation sein werden,
und das in etwa 18 Monaten.
Sonnenlicht und CO2 sind eine Methode --
(Applaus)
-- aber in unserer Entdeckung der Welt,
haben wir alle Arten unterschiedlicher Methoden.
Das ist ein Organismus den wir 1996 beschrieben haben.
Er lebt in der Tiefsee,
ungefähr ein-einhalb Meilen tief,
bei nahezu kochenden Wassertemperaturen.
Es wandelt CO2 in Methan um
unter der Verwendung von Wasserstoff als Energiequelle.
Wir untersuchen ob wir gespeichertes
CO2 verwenden können,
welches einfach zu Produktionsplätzen gebracht werden könnte,
konvertieren das CO2 in Treibstoff,
um diesen Prozess anzutreiben.
Innerhalb einer kurzen Zeitspanne
glauben wir, wir könnten in der Lage sein
eine der grundlegenden Fragen des Lebens zu lösen.
Wissen Sie, wir haben wirklich --
moderate Ziele
wie dem Ersatz der gesamten Petrochemischen Industrie.
(Lachen) (Applaus)
Genau. Wenn man das nicht bei TED tun könnte, wo sonst?
(Lachen)
Eine Hauptquelle der Energie zu werden.
Aber genauso arbeiten wir momentan daran, die gleichen Ansätze
für die Entwicklung von Impfstoffen einzusetzen.
Sie haben es dieses Jahr mit der Grippe gesehen,
wir sind immer ein Jahr hinten dran und haben einen Dollar zu wenig,
wenn es um den richtigen Impfstoff geht.
Ich denke, dass das geändert werden kann
indem man rekombinante Impfstoffe im Vorhinein erstellt.
Das ist es, wie die Zukunft möglicherweise aussehen könnte
mit Änderungen, kann heute der Evolutionsbaum
beschleunigt werden
mit synthetischen Bakterien, Archaen,
und eventuell Eukaryonten.
Wir sind Lichtjahre davon entfernt Menschen zu verbessern.
Unser ziel ist es lediglich, dass wir eine Chance haben
lange genug zu überleben um das möglicherweise zu tun. Vielen Dank!
(Applaus)