Weet je, ik heb het al eens gehad over een paar van deze projecten,
over het menselijk genoom en wat dat kan betekenen,
en het ontdekken van nieuwe sets van genen.
We starten eigenlijk vanaf een nieuw punt:
we waren de biologie aan het digitaliseren,
en nu proberen we om van die digitale code
naar een nieuwe fase in de biologie te gaan,
met het ontwerpen en synthetiseren van leven.
We hebben dus altijd geprobeerd om de grote vragen te stellen.
"Wat is leven?" is iets waarvan ik denk wat veel biologen
hebben geprobeerd het te begrijpen
op verschillende niveaus.
We hebben verschillende benaderingen geprobeerd,
het terug brengen tot minimale componenten.
We zijn het nu bijna 20 jaar aan het digitaliseren.
Toen we het menselijk genoom hebben gesequenced,
ging het vanuit de analoge wereld van de biologie,
naar de digitale wereld van de computer.
Nu proberen we te vragen: kunnen we leven regenereren,
of kunnen we nieuw leven creëren,
uit dit digitale universum?
Dit is de kaart van een klein organisme,
Mycoplasma genitalium,
met het kleinste genoom voor een soort
dat zichzelf kan vermenigvuldigen in een laboratorium.
En we hebben geprobeerd te kijken of
we tot een nóg kleiner genoom kunnen komen.
We kunnen in de orde van honderd genen eruit gooien
van de 500 of zo, die er zijn.
Maar als we kijken naar de metabolische kaart,
is die relatief eenvoudig
vergeleken met de onze.
Geloof me, dit is eenvoudig.
Maar wanneer we naar alle genen kijken
die we per stuk kunnen uitschakelen,
is het zeer onwaarschijnlijk dat dit
een levende cel zou opleveren.
We besloten daarom dat de enige route voorwaarts
was om dit dit chromosoom te synthetiseren
zodat we de componenten konden afwisselen
om zo de een paar van de meest fundamentele vragen te kunnen stellen.
En zo zijn we begonnen met vragen als:
"Kunnen we een chromosoom synthetiseren?"
Staat de chemie het toe
deze zeer grote moleculen te maken
die we nog nooit eerder hebben gezien?
En, als we dat doen, kunnen een chromosoom 'opstarten'?
Een chromosoom is trouwens maar een stukje chemisch inert materiaal.
Dus, ons tempo van het digitaliseren van het leven is versneld
op exponentiële wijze.
Ons vermogen om de genetische code te schrijven
verliep nogal langzaam,
maar is wel toegenomen.
En ons laatste punt zou het op dit moment plaatsen op een exponentiële curve.
We zijn hier meer dan 15 jaar geleden mee begonnen.
Er waren een aantal stadia voor nodig,
te beginnen met een bio-ethische toetsing voorafgaand aan de eerste experimenten.
Maar het blijkt dat de synthese van DNA
erg moeilijk is.
Er zijn tienduizenden machines in de wereld
die kleine stukjes DNA maken,
30 tot 50 letters in lengte,
en het is een degeneratief proces, dus hoe langer je het stuk maakt,
hoe meer fouten er zijn.
Dus moesten we een nieuwe methode maken
voor het samenvoegen van deze kleine stukjes en het corrigeren van alle fouten.
En dit was onze eerste poging, te beginnen met de digitale informatie
van het genoom Phi X 174.
Dat is een klein virus dat bacteriën doodt.
We ontwierpen de stukjes, deden de foutcorrectie...
en hadden een DNA-molecuul
van ongeveer 5.000 letters.
Het spannende deel begon toen we een inert stukje chemische stof
in de bacteriën stopten,
en de bacteriën de genetische code gingen lezen,
en virale deeltjes gingen maken.
De virale deeltjes werden toen losgelaten uit de cellen,
ze kwamen daarna terug en doodden de E. coli.
Ik was onlangs in gesprek met de olieindustrie,
en ik zei dat ze dat model maar al te goed snapten.
(Gelach)
Zij lachten meer dan jullie.
Daarom denken we dat dit een situatie is
waarin de software zijn eigen hardware kan bouwen
in een biologisch systeem.
Maar we wilde iets veel groters.
We wilden het volledige bacteriële chromosoom bouwen.
Dat is meer dan 580.000 letters genetische code.
Daarom besloten we ze te bouwen in cassettes ter grootte van virussen,
zodat we de cassettes konden variëren...
om te gaan begrijpen
wat de daadwerkelijke componenten van een levende cel zijn.
Het ontwerp is cruciaal,
en als je begint met digitale informatie in de computer
dan moet die digitale informatie erg accuraat zijn.
Toen we voor het eerst dit genoom samenstelden in 1995
was de standaard-precisie één fout per 10.000 baseparen.
Uiteindelijk vonden we na resequencing
30 fouten. Als we de oorspronkelijke sequence hadden gebruikt
dan was het niet in staat geweest op te starten.
Onderdeel van het ontwerp is het ontwerpen van stukken
die 50 letters lang zijn
die moeten overlappen met alle andere stukken van 50 letters
om zodoende kleinere sub-eenheden te bouwen
die we moeten ontwerpen zodat ze samen kunnen gaan.
We ontwerpen hier unieke onderdelen in.
Misschien hebben jullie gelezen dat we er watermerken in stoppen.
Bedenk dit:
we hebben een vierletterige genetische code: A, C, G en T.
Trio's van die letters
coderen voor ruwweg 20 aminozuren --
dat er een eenletterige aanduiding is
voor elk aminozuur.
We kunnen dus de genetische code gebruiken om woorden te schrijven,
zinnen, gedachten.
Aanvankelijk signeerden we 'm alleen maar.
Sommigen waren teleurgesteld dat er geen gedichten waren.
We hebben deze stukjes zo ontworpen
dat we ze kunnen opeten met enzymen.
Er zijn enzymen die ze repareren en in elkaar zetten.
En we begonnen stukjes te maken,
te beginnen met stukjes die vijf tot 7.000 letters lang waren,
pas die aan elkaar en je hebt stukken van 24.000 letter,
neem dan sets daarvan, tot aan 72.000.
In elk stadium kweekten we een overvloed van deze stukken
zodat we ze konden sequencen
omdat we een proces willen creëren dat zeer robuust is --
dat zullen jullie straks zien.
We proberen het punt van automatisering te bereiken.
Dit ziet er dus uit als een basketbalfinale.
Zodra we toe komen aan de echt grote stukken --
meer dan 100.000 baseparen --
dan groeien ze niet zo makkelijk meer in E. coli.
Dat vergt het uiterste van alle moderne gereedschappen van de moleculaire biologie.
Daarom gingen we te rade bij andere mechanismen.
We kenden een mechanisme dat 'homologe recombinatie' heet,
dat wordt gebruikt door de biologie om DNA te repareren,
dat stukjes samen kan voegen.
Hier is er een voorbeeld van.
Er is een organisme genaamd
Deinococcus radiodurans
dat drie miljoen rad aan straling aan kan.
Dat ziet u in het bovenste paneel, z'n chromosoom knalt gewoon uit elkaar.
12 ot 24 uur later zette hij het weer
in elkaar, precies zoals het eerst was.
Er zijn duizenden organismen die dit kunnen.
Deze organismen kunnen volledig opgedroogd zijn.
Ze kunnen in een vacuüm leven.
Ik weet absoluut zeker dat er leven in de ruimte kan bestaan,
dat zich kan voortbewegen, een nieuw aquatisch milieu kan vinden.
NASA heeft trouwens laten zien dat er hier veel van is, daar buiten.
Hier is een daadwerkelijke microfoto van het molecuul dat we hebben gemaakt
met deze processen -- feitelijk met alleen maar gist-mechanismen
met het juiste ontwerp van de stukjes waar we ze in deden.
Gist zorgt ervoor dat ze automatisch samenvoegen.
Dit is geen electronen-microscoopfoto;
dit is een gewone microscoopfoto.
Het is zo'n groot molecuul
dat we het met een lichtmicroscoop kunnen zien.
Dit zijn foto's, genomen over een periode van zes seconden.
Dit is de publicatie die we onlangs uitbrachten.
Dit is meer dan 580.000 letters aan genetische code.
Het is het grootste molecuul ooit gemaakt door mensen, met een duidelijke structuur.
Het molecuulgewicht is meer dan 300 miljoen.
Als we het zouden afdrukken met een 10-punts letter, zonder spaties,
dan is er 142 pagina's nodig
alleen maar om de genetische code af te drukken.
Goed, hoe starten we een chromosoom op? Hoe activeren we het?
Met een virus is het duidelijk nogal makkelijk.
Met een bacterie is het veel ingewikkelder.
Het is ook simpeler als je je begeeft
onder eukaryoten, zoals wij:
je wipt er gewoon de celkern uit
en doet er een andere in,
en dat is wat jullie kennen als het klonen.
Bij de bacteriesoorten is het chromosoom geïntegreerd in de cel,
maar we hebben onlangs laten zien dat we een volledige transplantatie
van een chromosoom kunnen uitvoeren van een cel naar een ander,
en het kunnen activeren.
We hebben een chromosoom gezuiverd van een microbensoort.
Deze zijn ongeveer zo ver van elkaar verwijderd als mensen en muizen.
We voegden wat extra genen toe
zodat we voor dit chromosoom konden selecteren.
We hebben het verteerd met enzymen
om alle eiwitten stuk te maken.
Het was vrij sensationeel toen we dit in de cel stopten --
en jullie zullen de zeer geavanceerde
grafische beelden hier wel kunnen waarderen --
het nieuwe chromosoom ging in de cel.
We dachten zelfs dat hij maar tot zover zou komen,
maar we probeerden het proces wat verder uit te ontwikkelen.
Dit hier is een essentieel evolutiemechanisme.
We ontdekken allerlei soorten
die een tweede chromosoom hebben opgenomen
of een derde ergens vandaan,
waarmee ze duizenden eigenschappen
in één keer toevoegen aan de soort.
Mensen die zich evolutie voorstellen
alsof er één gen tegelijk verandert
hebben niet veel biologie meegekregen.
Er zijn enzymen die restrictie-enzymen worden genoemd
die werkelijk DNA verteren.
Het chromosoom dat in de cel was
heeft er niet een.
De cel -- het chromosoom dat we erin stopten -- wel.
Het werd uitgedrukt, en het herkende
het andere chromosoom als vreemd materiaal,
at het op, en daarom hadden we uiteindelijk
alleen de cel met het nieuwe chromosoom.
Hij werd blauw vanwege de genen die we erin hadden gestopt.
En in zeer korte tijd
verdwenen alle karakteristieken van de ene soort,
en veranderde hij compleet in de nieuwe soort,
gebaseerd op de nieuwe software die we in de cel hadden gestopt.
Alle eiwitten veranderden,
de membranen veranderden --
toen we de genetische code aflazen, was het precies waarin het was veranderd.
Dit mag dan klinken als genomische-alchemie,
maar we zijn in staat, door het veranderen van de software DNA,
om dingen fundamenteel te veranderen.
Goed, ik heb al eerder betoogd dat dit geen schepping is --
dit is voortborduren op 3,5 miljard jaar evolutie,
en ik heb betoogd dat we misschien bijna
een nieuwe versie van de Cambrische explosie maken
waar er op grote schaal nieuwe soorten ontstaan,
gebaseerd op dit digitale ontwerp.
Waarom zou je dit doen?
Volgens mij is het vrij duidelijk als je kijkt naar wat er nodig is.
We gaan binnenkort van zes-en-een-half
naar 9 miljard mensen, gedurende de komende 40 jaar.
Om het in mijn context te plaatsen:
Ik ben geboren in 1946.
Er zijn nu drie mensen op deze planeet...
voor elk van ons die in leefde in 1946;
binnen 40 jaar zullen dat er vier zijn.
We hebben moeite met voeding, met het verzorgen van schoon water,
medicijnen, brandstof
voor de zes-en-een-half miljard.
Dat wordt lastig om dat voor negen te doen.
We gebruiken 5 miljard ton kolen,
meer dan 30 miljard vaten olie.
Dat is 100 miloen vaten per dag.
Wanneer we biologische processen in ogenschouw nemen
of welk proces dan ook om dat te vervangen;
dan gaat dat een enorme uitdaging worden.
Dan is er natuurlijk al die
kooldioxide van de stof
die in de atmosfeer terecht komt.
Door al onze wereldwijde ontdekkingen hebben we nu
een database met ongeveer 20 miljoen genen,
en die zou ik graag zien als de ontwerpcomponenten voor de toekomst.
De electronicaindustrie had maar een dozijn verschillende componenten,
en kijk naar de diversiteit die daar uit is voortgekomen.
We zijn voornamelijk beperkt
door een biologische realiteit
en onze verbeelding.
We hebben nu technieken
dankzij snelle synthesemethoden
om zogenaamde 'combinatie-genomics' te doen.
We hebben nu de mogelijkheid om een grote robot te bouwen
die een miljoen chromosomen per dag kan maken.
Als je aan de verwerking van 20 miljoen verschillende genen denkt,
of probeert processen te optimaliseren
om octaan te maken of medicijnen te produceren,
nieuwe vaccins,
dan kunnen we met een klein team veranderen,
kunnen we meer moleculaire biologie doen
dan in de laatste 20 jaar van de wetenschap.
En het is alleen maar standaard selectie.
We kunnen selecteren voor levensvatbaarheid,
chemische of brandstofproductie,
vaccinproductie, enzovoorts.
Dit is een schermafbeelding
van wat echte ontwerpsoftware
waar we aan werken, zodat je echt aan de gang kunt gaan
en een nieuwe soort op de computer kunt ontwerpen.
We weten niet persé hoe het er uit zal zien.
We weten precies hoe hun genetische code er uit ziet.
We richten ons nu op vierde generatie brandstoffen.
Onlangs hebben jullie graan tot ethanol gezien,
gewoon een slecht experiment.
We hebben tweede en derde generatie brandstoffen
die binnenkort zullen uit komen
zoals suiker, tot meer hoogwaardiger brandstoffen
zoals octaan of verschillende soorten butanol.
Maar de enige manier dat we denken dat biologie
grote invloed kan hebben zonder
de voedselprijs hoger te maken en de beschikbaarheid te verlagen
is als we beginnen met CO2 als zijn voedselvoorraad,
en daarom zijn we bezig cellen te ontwerpen die het op die manier doen,
en we denken dat we de eerste vierde generatie brandstoffen
binnen ongeveer 18 maanden te hebben.
Zonlicht en CO2 is één methode --
(Applaus)
-- maar door onze wereldwijde ontdekkingstocht,
hebben we allerlei andere methoden.
Dit is een organisme dat we hebben beschreven in 1996.
Het leeft in de diepzee,
ongeveer 2,5 kilometer diep,
bij kokend hete temperaturen.
Het maakt methaan van CO2
met behulp van moleculair waterstof als energiebron.
We zijn aan het kijken of we
vast CO2 kunnen nemen,
wat gemakkelijk via pijpen vervoerd kan worden naar fabrieken,
waar die CO2 wordt teruggevormd naar brandstof,
om dit proces aan te sturen.
Dus in een kort tijdsbestek
denken we dat we in staat zijn uit te breiden
op de basale vraag: "Wat is leven?"
We hebben werkelijk, weet u --
hebben de bescheiden doelen
de petrochemische industrie te vervangen.
(Gelach) (Applaus)
Ja. Als je dit niet bij TED kunt doen, waar dan wel?
(Gelach)
Een belangrijke energiebron worden.
Maar we werken nu ook aan het gebruiken van deze werktuigen
om snelle series vaccins te bedenken.
Dit jaar was er de griep,
we lopen altijd net iets achter de feiten aan
als het aankomt op het juiste vaccin.
Ik denk dat dat kan veranderen
door van tevoren gecombineerde vaccins te maken.
Hier zie je hoe de toekomst eruit kan gaan zien
doordat de evolutieboom nu gaat veranderen,
het versnellen van evolutie
met synthetische bacteriën, archea,
en uiteindelijk eukaryota.
We zijn nog ver verwijderd van het verbeteren van mensen.
Ons doel is zeker te stellen dat we een kans maken
om lang genoeg te overleven om dat wellicht te doen. Dank u wel.
(Applaus)