אתם יודעים, דיברתי על חלק מהפרוייקטים האלה בעבר,
על הגנום האנושי ומה יכולה להיות משמעותו,
וגילוי סדרות חדשות של גנים.
אנחנו למעשה מתחילים בנקודה חדשה:
אנחנו הופכים ביולוגיה לדיגיטלית,
וכעת אנחנו מנסים ללכת מהקוד הדיגיטלי הזה
לשלב חדש של ביולוגיה,
עם תכנון וייצור חיים.
בעצם תמיד ניסינו לשאול שאלות גדולות.
"מהם החיים?" הוא משהו שהרבה ביולוגים
ניסו להבין
ברמות שונות.
ניסינו גישות שונות,
צמצמנו למרכיבים המינימליים.
אנחנו הופכים [את החיים] לדיגיטליים כבר כמעט 20 שנה.
כשריצפנו את הגנום האנושי,
זה היה מעבר מהעולם האנלוגי של הביולוגיה
לעולם הדיגיטלי של המחשב.
עכשיו אנחנו מנסים לשאול, האם אפשר ליצור חיים מחדש,
או האם ניתן ליצור חיים חדשים,
מתוך העולם הדיגיטלי הזה?
זו המפה של אורגניזם קטן,
מיקופלזמה ג'ניטליום,
שיש לו את הגנום הכי קטן עבור מין
שיכול לשכפל את עצמו במעבדה.
וניסינו רק לראות אם
אנחנו יכולים למצוא גנום אפילו קטן יותר
אנחנו יכולים לנטרל בערך מאה גנים
מתוך בערך 500 שיש כאן.
אבל כשאנחנו מסתכלים במפת חילוף החומרים שלו
זה יחסית פשוט
בהשוואה לשלנו
תאמינו לי, זה פשוט.
אבל כשאנחנו מסתכלים על כל הגנים
שאנחנו יכולים לייצר, אחד בכל פעם,
יש סיכוי נמוך מאד שזה ייצור
תא חי.
אז החלטנו שהדרך היחידה להתקדם
היא למעשה לסנתז את הכרומוזום הזה
כדי שנוכל לשנות את המרכיבים
כדי לשאול כמה מהשאלות המאד בסיסיות האלה
אז התחלנו בדרך של
"האם אנחנו יכולים לסנתז כרומוזום?"
האם הכימיה מאפשרת יצירה
של המולקולות המאד גדולות האלה
שמעולם לא ראינו?
ואם כן, האם אנחנו יכולים לאתחל כרומוזום?
כרומוזום, דרך אגב, הוא רק פיסת חומר כימי דומם.
אז, קצב הדיגיטציה של החיים מתגבר והולך
בקצב אקספוננציאלי.
היכולת שלנו לכתוב את הקוד הגנטי
זזה יחסית לאט
אבל היא מתגברת
והנקודה האחרונה שמה אותנו במה שעכשיו הוא עקומה אקספוננציאלית
התחלנו את זה לפני 15 שנה
למעשה זה לקח כמה שלבים
החל בסקירה ביו-אתית לפני שעשינו את הניסויים הראשונים.
אבל מסתבר שלסנתז דנ"א
זה קשה מאד.
יש עשרות אלפי מכונות ברחבי העולם
שיוצרות פיסות דנ"א קטנות
באורך 30 עד 50 אותיות,
וזה תהליך מידרדר, כך שככל שהפיסה ארוכה יותר
יש יותר שגיאות.
אז היינו צריכים ליצור שיטה חדשה
כדי לחבר את הפיסות הקטנות האלה ולתקן את כל השגיאות
וזה היה הנסיון הראשון שלנו, כשהתחלנו עם המידע הדיגיטלי
של הגנום של Phi X 174
זה ווירוס קטן שהורג חיידקים
תכננו את הפיסות, העברנו דרך תיקון השגיאות שלנו,
והיתה לנו מולקולת דנ"א
של בערך 5,000 אותיות
השלב המרגש הגיע כשלקחנו את פיסת הכימיקל הדומם הזה
ושמנו אותה בתוך החידק
והחיידק התחיל לקרוא את הקוד הגנטי,
ויצר את החלקיקים הוויראליים
החלקיקים הוויראליים שוחררו אז מהתאים
ואז חזרו והרגו את האי. קולי [החידק]
דיברתי עם תעשיית הנפט לאחרונה,
ואמרתי שהם בטוח מבינים את המודל הזה
(צחוק)
הם צחקו יותר מכם.
אז אנחנו חושבים שזה מצב
בו התוכנה בעצם בונה את החומרה של עצמה
במערכת ביולוגית
אבל רצינו ללכת על יותר גדול
רצינו לבנות את כל הכרומוזום הבקטריאלי.
זה מעל 580,000 אותיות של קוד גנטי.
אז חשבנו שנבנה אותם בקסטות בגודל הווירוסים,
כדי שנוכל למעשה לשנות את הקסטות
כדי להבין
מהם למעשה החלקים של תא חי.
התכנון הוא קריטי,
ואם מתחילים עם מידע דיגיטלי במחשב,
המידע הדיגיטלי הזה חייב להיות מדוייק.
כשריצפנו לראשונה את הגנום הזה ב 1995,
תקן הדיוק היה שגיאה אחת לכל 10,000 זוגות בסיס.
מצאנו למעשה, כשריצפנו אותו,
30 שגיאות. אם היינו משתמשים ברצף המקורי,
הוא לעולם לא היה מסוגל להתאתחל.
חלק מהתכנון הוא לעצב פיסות
באורך 50 אותיות
שצריכות לחפוף לשאר פיסות ה 50 אותיות
כדי לבנות תת-יחידות קטנות יותר
אנחנו צריכים לתכנן אותן שיוכלו להתחבר
אנחנו מתכננים מרכיבים ייחודיים לתוך זה.
אולי קראתם ששמנו 'סימני מים' בפנים
תחשבו על זה:
יש לנו קוד גנטי בן ארבע אותיות: G, C, A ו- T.
שלשות של האות הזאת -- האותיות האלה
מקודדות בערך 20 חומצות אמינו --
שיש ייצוג של אות בודדת
לכל אחת מחומצות האמינו.
אז אפשר להשתמש בקוד הגנטי כדי לכתוב מילים,
משפטים, מחשבות.
בהתחלה, כל מה שעשינו היה לחתום על זה.
כמה אנשים התאכזבו שזה לא היה שירה.
תכננו את הפיסות האלה
כך שאפשר לחתוך עם אנזימים
יש אנזימים שמתקנים אותן ומחברים אותן
והתחלנו לעשות פיסות,
בהתחלה פיסות של 5,000 עד 7,000 אותיות,
חיברנו אותן כדי ליצור פיסות באורך 24,000 אותיות
ואז שמנו סטים של כאלו, עד לאורך 72,000.
בכל שלב, יצרנו את הפיסות האלה בשפע
כדי שנוכל לרצף אותן
כי אנחנו מנסים ליצור תהליך שהוא מאד עמיד --
שתוכלו לראות בעוד דקה.
אנחנו מנסים להגיע למצב של אוטומציה.
אז, זה נראה כמו משחק גמר של כדורסל
כשאנחנו מגיעים לפיסות המאד גדולות האלה --
מעל 100,000 זוגות בסיס --
הן כבר לא יוכלו סתם לגדול בתוך אי. קולי
זה ממצה את כל הכלים המודרניים של הביולוגיה המולקולרית.
אז פנינו למנגנונים אחרים.
ידענו שיש מנגנון שנקרא רה-קומבינציה הומולוגית,
שבו משתמשת הביולוגיה כדי לתקן דנ"א,
שיכול לחבר פיסות יחד.
הנה דוגמה לכך.
יש אורגניזם שנקרא
דיינוקוקוס רדיודורנס
שיכול לספוג שלושה מיליון ראד של קרינה
אפשר לראות בפאנל העליון, הכרומוזומים שלו פשוט מתפרקים
12 עד 24 שעות לאחר מכן, זה חיבר אותם
בחזרה יחד בדיוק כמו קודם
יש אלפי אורגנזימים שיכולים לעשות את זה
האורגניזמים האלה יכולים להיות מיובשים לגמרי
הם יכולים לחיות בוואקום
אני משוכנע לגמרי שבחלל החיצון יש אפשרות לחיות
להסתובב, למצוא סביבה מימית חדשה
למעשה, נאס"א הראתה שהרבה מזה נמצא שם בחוץ
הנה מיקרוגרף אמיתי של המולקולה שבנינו
תוך שימוש בתהליכים האלו -- למעשה רק מנגנוני שמרים
עם תכנון נכון של הפיסות ששמנו בפנים
שמרים מחברים אותם יחד אוטומטית.
זה לא מיקרוגרף אלקטרוני
זהו פוטומיקרוגרף רגיל
זו כזו מולקולה גדולה
שניתן לראות אותה בעזרת מיקרוסקופ אור
אלו תמונות לאורך שש שניות
אז זה הפרסום שהיה לנו ממש לא מזמן
יש כאן יותר מ 580,000 אותיות של קוד גנטי
זו המולקולה בעלת מבנה מוגדר הגדולה ביותר שנוצרה בידי אדם
היא שוקלת מעבר ל 300 מיליון משקל מולקולרי
אם מדפיסים את זה בגופן בגודל 10 ללא רווחים
זה ממלא 142 דפים
רק להדפיס את הקוד הגנטי הזה.
ובכן, איך מאתחלים כרומוזום? איך מפעילים את זה?
מן הסתם, עם ווירוס זה די פשוט.
זה הרבה יותר מסובך כשעוסקים בחידקים.
זה גם יותר פשוט כשעוסקים
באאוקריוטים (כאשר התא מוקף קרום) כמונו
אפשר פשוט לשלוף את הגרעין
ולהכניס פנימה אחר
וזה מה ששמעתם עליו בקשר לשיבוט
עם חידקים חד תאיים הכרומוזום משולב בתוך התא
אבל לאחרונה הראינו שאפשר לעשות השתלה מושלמת
של כרומוזום מתא אחד לאחר
ולהפעיל אותו.
זיקקנו כרומוזום ממין מיקרובי אחד
שני אלה שונים כמו אדם ועכבר, פחות או יותר
הוספנו עוד כמה גנים
כדי שנוכל לבחור עבור הכרומוזום הזה
עיכלנו אותו עם אנזימים
כדי להרוג את כל החלבונים
וזה היה מדהים כששמנו אותו בתוך התא --
ובטח תעריכו
את הגרפיקה מתוחכמת שלנו כאן --
הכרומוזום החדש נכנס לתוך התא
למעשה, חשבנו שזה יהיה הכי רחוק שנגיע
אבל ניסינו לתכנן את התהליך קצת הלאה
זהו מנגנון אבולוציוני מרכזי, מה שיש לנו כאן
אנחנו מוצאים כל מיני מינים
שקיבלו כרומוזום שני
וגם שלישי מאיפשהו,
והוסיפו אלפי תכונות חדשות
למין הזה תוך שנייה
אז אנשים שחושבים על אבולוציה
כעל גן אחד בלבד שמשתנה בכל פעם
פספסו הרבה מהביולוגיה.
יש אנזימים שנקראים אנזימי קיטוע
שלמעשה מעכלים דנ"א.
לכרומוזום שהיה בתא
אין כזה
לתא -- לכרומוזום ששמנו בו -- יש כזה
הוא בא לידי ביטוי, והוא זיהה
את הכרומוזום האחר כחומר זר
אכל אותו, ואז נותרנו
רק עם התא עם הכרומוזום החדש
הוא הפך כחול בגלל הגנים ששמנו בו
ובפרק זמן קצר מאד
כל המאפיינים של המין אבדו,
והוא לגמרי הומר למין החדש
בהתבסס על התוכנה החדשה ששמנו בתא
כל החלבונים השתנו,
קרומי התא השתנו --
כשקראנו את הקוד הגנטי, זה בדיוק מה שהעברנו פנימה
אז זה עשוי להישמע כאלכימיה גנומית
אבל אנחנו יכולים, על ידי שינוי בתוכנת הדנ"א
לשנות דברים בצורה די דרמטית
עכשיו, טענתי, זו לא בריאה מבראשית
זו התבססות על שלושה מיליארד וחצי שנים של אבולוציה
וטענתי שאנחנו אולי עשויים
ליצור גרסה חדשה של התפוצצות [התקופה] הקמברית
כשיש היווצרות מאסיבית של מינים חדשים
בהתבסס על התכנון הדיגיטלי הזה
למה לעשות את זה?
אני חושב שזה די מובן מאליו מבחינת הצרכים.
אנחנו עומדים לעבור מששה וחצי
לתשעה מיליארד אנשים ב 40 שנה הבאות
כדי לשים זאת בהקשר בשבילי:
אני נולדתי ב 1946.
יש עכשיו שלושה אנשים על כדור הארץ
לכל אחד שנולד ב 1946;
בתוך 40 שנה, יהיו ארבעה.
יש לנו בעייה להאכיל, לספק מים נקיים וטריים
רפואה, דלק
לששה המיליארד וחצי.
יהיה קשה לעשות זאת עבור תשעה.
אנחנו משתמשים ביותר מחמש מיליארד טונות פחם
מעל 30 מיליארד חביות נפט
זה מאה מיליון חביות ביום
כשאנחנו מנסים לחשוב על תהליכים ביולוגיים
או כל תהליך שיחליף את זה
זה יהיה אתגר עצום
ואז, כמובן, יש את כל
הפחמן הדו-חמצני מהחומרים האלה
שמסיים את דרכו באטמוספירה
יש לנו עכשיו, מהתגליות שלנו ברחבי העולם
בסיס נתונים עם בערך 20 מיליון גנים
ואני רוצה לחשוב עליהם כרכיבי התכנון של העתיד.
לתעשיית האלקטרוניקה היו בערך תריסר רכיבים
ותראו את המגוון שיצא מזה
אנחנו מוגבלים כאן קודם כל
על ידי מציאות ביולוגית
והדמיון שלנו
יש לנו כעת טכניקות,
בגלל שיטות הייצור המהירות האלה,
לעשות מה שאנחנו מכנים גנומיקה רקומביננטית
יש לנו כעת את היכולת לבנות רובוט גדול
שיכול ליצור מיליון כרומוזומים ביום
כשחושבים על עיבוד 20 מיליון הגנים השונים האלה
או נסיון לייעל תהליכים
לייצר אוקטן או לייצר תרופות
חיסונים חדשים
אנחנו יכולים לשנות, עם צוות קטן בלבד
לעשות יותר ביולוגיה מולקולרית
מאשר נעשתה בעשרים השנה האחרונות של כל המדע.
וזה רק המבחר הרגיל.
אנחנו יכולים לבחור להתמקד ביכולת קיום,
ייצור כימי או של דלק
ייצור חיסונים, וכן הלאה.
זו תמונת מסך
של תוכנת עיצוב אמיתית
שאנחנו עובדים עליה כדי שנוכל למעשה לשבת
ולתכנן מינים על המחשב
אתם יודעים, אנחנו לא ממש יודעים איך זה ייראה
אנחנו יודעים בדיוק איך נראה הקוד הגנטי שלהם
אנחנו כעת מתרכזים בדלקים מדור רביעי.
לאחרונה ראיתם שהפיכת תירס לאתנול
הוא פשוט ניסוי רע.
יש לנו דלקים מדור שני ושלישי
שייצאו בקרוב
שהם המרת סוכר לדלקים בעלי ערך רב יותר
כמו אוקטן או סוגים של בוטאנול.
אבל הדרך היחידה שבה אנחנו חושבים שביולוגיה
יכולה להשפיע בצורה משמעותית ללא
הגדלה נוספת של עלות המזון והגבלת הנגישות שלה
היא אם נתחיל בפחמן דו-חמצני כמזון שלה
ולכן אנחנו עובדים על תכנון תאים שיילכו בכיוון הזה
ואנחנו חושבים שיהיו לנו את תאי הדלק הראשונים מדור רביעי
בערך תוך 18 חודשים.
אור שמש ופחמן דו חמצני הם שיטה אחת --
(מחיאות כפיים)
-- אבל בתגליות שלנו מרחבי העולם
יש לנו כל מיני שיטות.
זהו אורגניזם שתיארנו ב 1996
הוא גר באוקיינוס העמוק
בעומק שני ק"מ וחצי בערך
בטמפרטורה של כמעט רתיחת מים
הוא הופך פחמן דו חמצני למתאן
תוך שימוש במימן מולקולרי כמקור האנרגיה שלו
אנחנו בודקים אם אנחנו יכולים לקחת
פחמן דו חמצני כלוא
שיכול בקלות להיות מוזרם לאתרים
להמיר את הפחמן הדו חמצני הזה לדלק
כדי להניע את התהליך הזה
בפרק זמן קצר,
אנחנו חושבים שנהיה מסוגלים להרחיב
את השאלה הבסיסית של "מהם חיים?"
יש לנו באמת, אתם יודעים --
מטרות צנועות
של להחליף את כל התעשייה הפטרוכימית.
(צחוק) (מחיאות כפיים)
כן. אם אי אפשר לעשות את זה ב TED, איפה עוד אפשר?
(צחוק)
להפוך למקור אנרגיה מרכזי
אבל גם, אנחנו כרגע עובדים על שימוש באותם כלים
כדי ליצור חיסונים באופן מיידי.
ראיתם השנה עם השפעת
אנחנו תמיד שנה באיחור ועם דולר אחד פחות מדי
כשמדובר על החיסון המתאים.
אני חושב שזה ניתן לשינוי
על ידי בניית חיסונים צירופיים מראש
הנה איך שהעתיד עשוי להיראות
עם שינוי עכשווי של העץ האבולוציוני
האצת האבולוציה
עם חידקים מלאכותיים, חד-תאיים,
ולבסוף אאוקריוטים.
יש לנו עוד דרך ארוכה עד שנגיע לשיפור בני אדם.
המטרה שלנו היא רק לוודא שיש לנו סיכוי
לשרוד מספיק זמן כדי שאולי נעשה זאת. תודה רבה לכם.
(מחיאות כפיים)