Olen puhunut näistä hankkeista aiemminkin,
ihmisen genomista ja sen merkityksestä,
ja uusien geeniryhmien löytämisestä.
Olemme aloittamassa uudesta lähtökohdasta,
olemme digitalisoineet biologian,
ja nyt yritämme siirtyä tästä digitaalisesta koodista
uuteen vaiheeseen biologiassa
suunnittelemalla ja syntetisoimalla elämää.
Olemme aina yrittäneet kysyä suuria kysymyksiä.
"Mitä on elämä?" on kysymys, jota arvelen
monen biologin pohtineen
eri tasoilla.
Olemme kokeilleet eri lähestymistapoja,
ja purkaneet kysymyksen osatekijöihinsä.
Olemme digitoineet elämää melkein 20 vuoden ajan.
Kun sekvensoimme ihmisen perimän,
siirryimme biologian analogisesta maailmasta
tietokoneiden digitaaliseen maailmaan.
Nyt kysymme, pystymmekö jäljittelemään elämän käynnistymistä
tai luomaan uusia elämänmuotoja,
lähtien tästä digitaalisesta maailmasta.
Tässä on pienen organismin geenikartta,
kyseessä on Mycoplasma genitalium,
jolla on pienin genomi kaikista niistä lajeista,
jotka pystyvät lisääntymään laboratorio-oloissa.
Olemme kokeilleet pystyisimmekö
saamaan aikaan vielä pienemmän genomin.
Pystymme sammuttamaan noin sata
kartan noin 500 geenistä.
Mutta kaavio sen aineenvaihdunnasta,
se on melko yksinkertainen
verrattuna omaamme.
Uskokaa pois, tämä on yksinkertainen.
Kun tarkastelemme niitä geenejä,
jotka pystymme sammuttamaan yksitellen,
vaikuttaa epätodennäköiseltä, että siitä
syntyisi elinkelpoinen solu.
Päättelimme, että ainoa tapa päästä eteenpäin,
on syntetisoida tämä kromosomi tyhjästä,
jotta voisimme vapaasti muokata sen komponentteja
ja pääsisimme perimmäisten kysymysten kimppuun.
Aloimme edetä reittiä:
"Pystymmekö syntetisoimaan kromosomin?"
Salliiko kemia meidän rakentaa
näitä todella suuria molekyylejä,
jollaisia ei ole koskaan ennen tehty?
Ja jos se onnistuu, pystymmekö käynnistämään kromosomin?
Kromosomihan itsessään on vain elotonta kemiallista ainetta.
Tahti, jolla olemme digitalisoineet elämää,
on nopeutunut eksponentiaalisesti.
Kykymme kirjoittaa geneettistä koodia
on parantunut melko hitaasti
mutta on kuitenkin parantunut.
Viimeisimmät saavutuksemme veisivät senkin eksponentiaaliselle käyrälle.
Aloitimme työn yli 15 vuotta sitten.
Etenimme vaiheittain, itse asiassa kaikki alkoi
bioeettisellä katselmuksella ennen ensimmäistäkään koetta.
Osoittautuu, että DNA:n syntetisointi
on erittäin vaikeaa.
Maailmassa on kymmeniä tuhansia laitteita,
jotka pystyvät valmistamaan lyhyitä DNA-pätkiä,
pituudeltaan 30-50 merkkiä,
ja prosessi luo virheitä. Mitä pidemmän DNA-pätkän tekee,
sitä enemmän siinä on virheitä.
Meidän piti kehittää uusi menetelmä
näiden pikkupätkien yhteen liittämiseksi ja virheiden korjaamiseksi.
Tässä on ensimmäinen yrityksemme, lähtökohtana Phi X 174:n
perimä digitaalisessa muodossa.
Se on pieni virus, joka tappaa bakteereita.
Suunnittelimme palaset, suoritimme virheenkorjauksen
ja saimme aikaan noin 5000 merkin
pituisen DNA-molekyylin.
Jännittävä hetki tuli kun sijoitimme
tämän elottoman molekyylin bakteeriin,
ja bakteeri alkoi lukea molekyylin geneettistä koodia
ja tuottaa viruksia.
Sitten virukset irtautuivat isäntäsoluista,
ja siinä prosessissa kolibakteerit kuolivat.
Pidin äskettäin puheen öljyteollisuudelle,
ja he sanoivat tuntevansa toimintatavan oikein hyvin.
(Naurua)
Heitä nauratti vielä enemmän kuin teitä.
Nyt olemme tilanteessa, jossa
ohjelmisto pystyy rakentamaan oman laitteistonsa
biologisessa järjestelmässä.
Mutta meidän tavoitteemme olivat suuremmat.
Halusimme rakentaa kokonaisen bakteerin kromosomin.
Sellaisessa on yli 580 000 merkin edestä geneettistä koodia.
Ajattelimme rakentavamme koodin viruksen kokoisina kasetteina
niin että voisimme vaihtaa kasetteja toisiin
ymmärtääksemme,
mitkä ovat oikean elävän solun osatekijät.
Oikea suunnittelu on kriittisen tärkeä,
ja jos lähtökohtana on tietokoneeseen digitaalisena talletettu informaatio,
informaation on oltava tarkasti oikein.
Kun sekvensoimme tämän genomin vuonna 1995,
tavanomainen tarkkuus oli yksi virhe 10 000 emäsparia kohti.
Kun sekvensoimme genomin uudelleen,
löysimme 30 virhettä. Jos olisimme käyttäneet alkuperäistä sekvenssiä,
kromosomi ei olisi pystynyt käynnistymään.
Osa suunnittelu-urakkaa on pikkupalojen suunnittelu.
Ne ovat kukin 50 merkin pituisia,
ja niiden pitää osua päällekkäin muiden 50-merkkisten palojen kanssa
isompien aliyksiköiden rakentamiseksi.
Ne pitää suunnitella sopimaan yhteen.
Olemme lisänneet ennennäkemättömiä osasia.
Olette ehkä lukeneet, että me liitämme mukaan vesileimoja.
Ajatelkaapa tätä:
geneettinen koodi sisältää neljä kirjainta: A, C, G ja T.
Kolmikirjaimiset yhdistelmät niistä
koodaavat noin 20 aminohappoa.
Voimme ottaa yhden normaalikielen kirjaimen
vastaamaan kutakin aminohappoa.
Silloin voimme kirjoittaa sanoja geneettisellä koodilla,
lauseita, ajatuksia.
Aluksi vain signeerasimme työmme.
Jotkut olivat pettyneitä, että mukana ei ollut runoutta.
Suunnittelimme DNA-pätkät niin, että niihin
voi pureutua tietyillä entsyymeillä.
On olemassa entsyymejä, jotka korjaavat pätkiä ja liittävät niitä yhteen.
Aluksi teimme koodinpätkiä,
joiden pituus oli viidestä 7000:een merkkiin,
yhdistelimme niistä 24 000 merkin palikoita,
sitten liitimme niitä yhteen ja pääsimme 72 000 merkkiin.
Jokaisessa vaiheessa teimme yllin kyllin palikoita,
jotta niitä riittää sekvensoitavaksi,
koska yritämme luoda erittäin vikasietoisen prosessin
kuten pian näette.
Yritämme automatisoida eri vaiheet.
Tämä muistuttaa koripalloliigan pudotuspelikaaviota.
Kun pääsemme näihin hyvin suuriin palikoihin asti,
niissä on yli 100 000 emäsparia.
Niitä ei voi enää helposti kasvattaa kolibakteerissa.
Modernin molekyylibiologian keinot loppuvat.
Siispä keskityimme muihin menetelmiin.
Tunsimme mekanismin nimeltä homologinen rekombinaatio,
joka tapahtuu elävissä soluissa ja korjaa niiden DNA:ta,
ja jota voisi käyttää palikoiden yhteenliittämiseen.
Tässä esimerkki.
On olemassa organismi nimeltä
Deinococcus radiodurans,
joka pystyy kestämään 30 000 grayn säteilyannoksen.
Kuten näette yläruudussa, sen kromosomi repeää riekaleiksi.
12 - 24 tuntia myöhemmin se on
koonnut itsensä ennalleen.
Tunnemme tuhansia organismeja, jotka pystyvät vastaavaan.
Näistä organismeista voi poistaa kaiken veden.
Ne pystyvät elämään tyhjössä.
Olen täysin varma, että elämä selviää ulkoavaruuden oloissa,
pystyy liikkumaan paikasta toiseen, löytämään uuden kostean ympäristön.
Itse asiassa NASA on osoittanut monien näistä asioista todella tapahtuvan.
Tässä on aito mikroskooppikuva molekyylistä, jonka rakensimme
käyttäen näitä menetelmiä -- oikeastaan vain hiivan mekanismeja
ja sopivasti suunniteltuja palikoita.
Hiivasolu liittää palikat toisiinsa automaattisesti.
Tämä ei ole elektronimikroskoopin kuva
vaan otettu tavallisella valomikroskoopilla.
Molekyyli on niin iso,
että se näkyy valomikroskoopissa.
Nämä kuvat on otettu kuuden sekunnin aikana.
Tässä on tuore julkaisumme.
Tässä on yli 580 000 merkkiä geneettistä koodia.
Se on suurin ihmiskunnan koskaan kokoama rakenteeltaan hallittu molekyyli.
Sen molekyylipaino on yli 300 miljoonaa.
Jos koodi painettaisiin kirjaksi,
10 pisteen kirjaisintyypillä
ilman välilyöntejä, se veisi 142 sivua.
Entä kuinka käynnistämme kromosomin? Kuinka aktivoimme sen?
Virus on tietenkin helppo tapaus.
Bakteerien kanssa on paljon hankalampaa.
Käynnistäminen on myös helpompaa
aitotumaisissa soluissa kuten ihmissoluissamme:
tuman voi yksinkertaisesti pullauttaa ulos solusta
ja korvata toisella tumalla,
ja kaikesta tästä olette kuulleet, kun puhutaan kloonaamisesta.
Bakteerien ja arkkieliöiden tapauksessa kromosomi on integroituna soluun,
mutta äskettäin osoitimme, että on mahdollista siirtää
kokonainen kromosomi solusta toiseen
ja aktivoida se.
Eristimme yhden mikrobilajin kromosomin.
Nämä kaksi ovat suunnilleen yhtä kaukana toisistaan kuin ihmiset ja hiiret.
Lisäsimme pari ylimääräistä geeniä,
jotta voimme valita oikean kromosomin.
Sulatimme entsyymien avulla
pois kaikki proteiinit.
Oli tyrmäävä kokemus, kun laitoimme tämän solun sisään --
ja arvostatte varmaan
hienostunutta grafiikkaamme --
uusi kromosomi siirtyi solun sisään.
Arvelimme, että tämän pidemmälle emme pääse,
mutta yritimme kuitenkin suunnitella prosessia hieman eteenpäin.
On kysymyksessä tärkeä evoluution mekanismi.
Havaitsemme kaikenlaisia lajeja,
jotka ovat poimineen toisen kromosomin
tai kolmannen jostakin,
mikä lisää tuhansia uusia lajiominaisuuksia
yhdessä hetkessä kyseiseen elämänmuotoon.
Niiltä, jotka arvelevat että evoluutiossa
on kyse vain yhden geenin vaihtumisesta silloin tällöin,
on mennyt ohi aika iso osa biologiaa.
On olemassa entsyymejä, joita kutsutaan restriktioentsyymeiksi,
jotka paloittelevat DNA:ta.
Kromosomi, joka oli alunperin solussa,
ei tuota sellaista.
Uusi kromosomi sisältää geenin, joka tuottaa.
Geeni ilmentyi ja tunnisti
alkuperäisen kromosomin vieraaksi materiaaliksi,
pilkkoi sen, ja lopputulos oli
solu, jossa on ainoastaan uusi kromosomi.
Solu muuttui siniseksi lisäämiemme geenien vuoksi.
Ja hyvin lyhyessä ajassa
kaikki yhden eliölajin ominaisuudet olivat kadonneet,
ja laji oli muuttunut uudeksi lajiksi,
perustuen ohjelmistoon, jonka syötimme soluun.
Kaikki proteiinit vaihtuivat,
kaikki solukalvot vaihtuivat --
Kun luimme geneettisen koodin, se oli täsmälleen, mitä olimme syöttäneet soluun.
Tämä ehkä kuulostaa geneettiseltä alkemialta,
mutta pystymme, siirtelemällä DNA-ohjelmistoja,
muuttamaan asioita aika dramaattisesti.
Olen argumentoinut, kyseessä ei ole luomistapahtuma --
hyödynnämme koneistoa, jonka evoluutio on rakentanut 3,5 miljardissa vuodessa --
ehkä pikemminkin olemme käynnistämässä
uutta versiota kambrikauden lajiräjähdyksestä,
kun valtava määrä uusia lajeja syntyy
digitaalisen suunnittelun pohjalta.
Miksi tehdä tätä?
Mielestäni on ilmeisiä tarpeita.
Meidän määrämme lisääntyy 6,5 miljardista
9 miljardiin seuraavan 40 vuoden aikana.
Laittaakseni asian mittoihinsa:
Olen syntynyt 1946.
Nykyään tällä planeetalla asuu kolme ihmistä
jokaista sellaista kohti, joka oli olemassa 1946;
40 vuodessa täällä tulee asumaan neljä.
Meillä on vaikeuksia ruokkia kaikki, järjestää puhdasta vettä,
lääkkeitä, polttoaineita
jo 6,5 miljardille.
Yhdeksän tulee vaatimaan melkoista venymistä.
Käytämme yli 5 miljardia tonnia hiiltä,
30 miljardia barrelia öljyä, ja enemmänkin.
Se on sata miljoonaa barrelia päivässä.
Kun yritämme keksiä biologista prosessia
tai mitä hyvänsä prosessia korvaamaan ne,
haaste on valtava.
Lisäksi on tietenkin kaikki
CO2, joka on peräisin tästä materiaalista
ja joka päätyy ilmakehään.
Meillä on nyt, seurauksena
tutkimuksista kaikkialla maailmassa, noin 20 miljoonan geenin tietokanta,
ja minusta on hauska ajatella niitä tulevaisuuden suunnittelukomponentteina.
Elektroniikkateollisuudella oli käytettävissään tusinan verran komponentteja,
ja millainen monimuotoisuus niistä onkaan lähtöisin.
Meitä rajoittavat pääasiassa
biologiset reunaehdot
ja oma mielikuvituksemme.
Käytettävissämme on nykyään tekniikoita,
näiden nopeiden synteesimenetelmien ansiosta,
tehdä jotain, mitä kutsumme kombinatoriseksi genomiikaksi.
Meillä on nyt kyky rakentaa iso robotti,
joka pystyy valmistamaan miljoona kromosomia päivässä.
Kun ajattelette näiden 20 miljoonan geenin jalostamista,
prosessien optimointia
oktaanin tuottamiseksi, tai lääkkeiden tuottamiseksi,
uusien rokotteiden,
voimme pienenkin tutkimusryhmän kanssa
tuottaa enemmän molekyylibiologiaa
kuin koko tiedeyhteisö viimeisen 20 vuoden aikana.
Kyse on vain valinnoista.
Voimme valita toteutettavuuden perusteella,
kemikaalien tai polttoaineiden tuotannon,
rokotteiden tuotannon, ja niin edelleen.
Tässä on ruutukaappaus
todellisesta suunnitteluohjelmistosta,
jonka parissa työskentelemme ja joka sallisisi istua alas
ja suunnitella uusia eliölajeja tietokoneella.
Emme välttämättä tiedä, miltä kaikki tulee näyttämään.
Tiedämme täsmälleen, miltä niiden geneettinen koodi näyttää.
Nykyään keskitymme neljännen sukupolven polttoaineisiin.
Äskettäin esiteltiin maissietanoli,
se on pelkkä kehno kokeilu.
On olemassa toisen ja kolmannen sukupolven biopolttoaineita,
jotka tulevat saataville varsin pian,
lähtien sokerista, päätyen arvokkaampiin polttoaineisiin,
kuten oktaaniin ja erilaisiin butanoleihin.
Mutta ainoa tapa, jolla voimme kuvitella biologialla
olevan suurta vaikutusta ilman että
se nostaa ruoan hintaa ja rajoittaa saatavuutta
on, että käytämme CO2:ta lähtöaineena,
ja olemmekin suunnittelemassa kennoja, jotka toimivat siihen tapaan,
ja uskomme saavamme ensimmäiset neljännen sukupolven polttoaineet
käyttöön noin 18 kuukaudessa.
Auringonvalo ja CO2 on yksi lähestymistapa --
(Aplodeja)
-- mutta löytöretkillämme eri puolilla maailmaa
olemme kohdanneet muunkinlaisia mahdollisuuksia.
Tässä on organismi, jonka kuvailimme vuonna 1996.
Se on syvänmeren eläjä,
esiintyy noin 2,5 km syvyydessä,
lähes kiehuvan veden lämpötilassa.
Se muuttaa CO2:ta metaaniksi
käyttäen vetyä energianlähteenään.
Kokeilemme pystymmekö käyttämään
talteenotettua CO2:ta,
jota voi helposti siirtää putkistoissa prosessointilaitoksiin,
muuntaa tämän CO2:n takaisin polttoaineeksi
ajamaan prosessia.
Niinpä varsin pian,
uskomme pystyvämme nostamaan panoksia
peruskysymyksestä "Mitä on elämä?"
Meillä on todellakin
vaatimattomana tavoiteenamme
syrjäyttää koko petrokemiallinen teollisuus.
(Naurua) (Aplodeja)
Jos sitä ei voi tehdä TEDissä niin missä sitten?
(Naurua)
Saadaan merkittävä energianlähde.
Lisäksi työskentelemme päästäksemme käyttämään samoja työkaluja
uusien pikarokotteiden aikaansaamiseen.
Olette kohdanneet tämänvuotisen kausi-influenssan.
Aina puuttuu aikaa ja rahaa
kehittää oikeanlainen rokote.
Arvelen, että tämä tulee muuttumaan,
kun valmistetaan kombinatorisia rokotteita etukäteen.
Tässä on miltä tulevaisuus alkaa näyttää,
kun muokkaamme evoluution puuta,
nopeutamme evoluutiota
synteettisillä bakteereilla ja arkkieliöillä
ja loppujen lopuksi aitotumallisilla.
Olemme vielä pitkän matkan päässä ihmisten parantelemisesta.
Päämäärämme on vain varmistaa, että meillä on mahdollisuus
selvitä hengissä tarpeeksi pitkään ja ehkä tehdä sekin. Kiitos paljon.
(Aplodeja)