Miałem już okazję opowiadać
o ludzkim genomie i jego znaczeniu,
oraz o odkrywaniu nowych zestawów genów.
Teraz zaczynamy w zupełnie nowym miejscu:
ujmowaliśmy biologię w cyfrowe ramy,
a teraz próbujemy przejść z cyfrowego kodu
do nowej fazy w biologii:
projektowania i syntetyzowania życia.
Próbowaliśmy zadawać ważne pytania:
"Czym jest życie?"
Biolodzy szukali odpowiedzi na to pytanie
na rozmaitych poziomach.
Próbowaliśmy różnych podejść,
okrajaliśmy je do niezbędnych składowych.
Opisujemy je cyfrowo od prawie 20 lat.
Sekwencjonując ludzki genom,
przeszliśmy z analogowego świata biologii
do cyfrowego świata komputerów.
Teraz staramy się odtworzyć życie,
albo wykreować nowe życie
z tego cyfrowego wszechświata.
Oto mapa małego organizmu,
Mycoplasma genitalium,
który ma najmniejszy genom
zdolny do samopowielania w laboratorium.
Próbowaliśmy zobaczyć, czy jest możliwe
stworzenie jeszcze mniejszego genomu.
Udało się nam usunąć 100 genów
z około 500 tam obecnych.
Mapa metaboliczna
jest stosunkowo prosta
w porównaniu z naszą.
To naprawdę proste.
Ale kiedy spojrzeć na wszystkie geny,
które można usunąć pojedynczo,
jest wielce nieprawdopodobne,
że zaowocuje to żywą komórką.
Zdecydowaliśmy, że jedynym wyjściem
będzie zsyntetyzowanie chromosomu,
tak abyśmy mogli zmieniać komponenty,
i dzięki temu zadać fundamentalne pytania.
Tak zaczęły się nasze zmagania:
Czy potrafimy zsyntetyzować chromosom?
Czy chemia pozwala na zrobienie
tych naprawdę dużych cząsteczek,
czego wcześniej nawet nie próbowaliśmy?
Jeżeli tak, to czy potrafimy zainicjować chromosom?
Chromosom to kawałek materii chemicznej.
Cyfrowe kodowanie życia
rozwija się bardzo szybko.
Zdolność zapisu kodu genetycznego
wzrasta dość powoli.
Krzywa byłaby wykładniczo rosnąca,
gdyby nanieść nasze ostatnie odkrycie.
Zaczęliśmy ponad 15 lat temu.
Przebyliśmy przez kilka etapów.
Rozpoczęliśmy od oceny bioetycznej
przed rozpoczęciem eksperymentów.
Okazuje się, że synteza DNA jest bardzo trudna.
Na świecie istnieją tysiące maszyn
produkujących krótkie odcinki DNA
długości 30 do 50 liter.
Jest to głęboko degeneratywny proces:
im dłuższy odcinek, tym więcej błędów.
Musieliśmy stworzyć nową metodę
składania części w całość i korekty błędów.
Pierwsza próba rozpoczęła się od cyfrowej informacji
z genomu Phi X 174.
To maleńki wirus zabijający bakterie.
Zaprojektowaliśmy fragmenty, poprawiliśmy błędy
i stworzyliśmy cząsteczkę DNA
o długości około 5 tys. liter.
Najbardziej ekscytująca była chwila wprowadzenia
obojętnego związku do wnętrza bakterii.
Bakteria zaczęła czytać kod genetyczny,
produkując cząsteczki wirusa.
Następnie cząsteczki zostały uwolnione z komórek
i zabiły bakterie E. coli.
Rozmawiając z ludźmi z przemysłu naftowego
powiedziałem, że na pewno rozumieją ten model.
(Śmiech)
Oni śmiali się bardziej niż wy.
Jest to sytuacja, w której
oprogramowanie buduje swój własny sprzęt
w systemie biologicznym.
Chcieliśmy jednak czegoś więcej.
Chcieliśmy zbudować pełny chromosom bakterii.
Ma on ponad 580 tys. liter kodu genetycznego.
Chcieliśmy go zbudować we fragmentach o rozmiarach wirusa.
Umożliwia to swobodną wymianę elementów
celem zrozumienia
składników żywej komórki.
Projekt jest kluczowy
i jeżeli zaczynamy od danych w komputerze,
muszą być one niezwykle dokładne.
Kiedy w 1995 r. sekwencjonowaliśmy ten genom,
dokładność wynosiła 1 błąd na 10 tys. par zasad.
Po ponownym sekwencjonowaniu
odkryliśmy 30 błędów. Oryginalna sekwencja
nigdy by nie działała.
Częścią projektu jest projektowanie odcinków
o długości 50 liter,
które muszą wzajemnie się nakładać,
aby budować mniejsze podjednostki.
Odcinki musiały do siebie pasować.
Zaprojektowaliśmy unikalne elementy.
Umieściliśmy znaki wodne.
Pomyślcie tylko:
mamy 4-literowy kod genetyczny: A, C, G, T.
Tryplety tych liter
kodują w przybliżeniu 20 aminokwasów,
istnieje więc pojedyncze literowe oznaczenie
dla każdego z aminokwasów.
Możemy użyć kodu genetycznego
do zapisania słów, zdań, myśli.
Początkowo tylko się podpisaliśmy.
Niektórych zawiódł brak poezji.
Zaprojektowaliśmy te fragmenty tak,
aby mogły wejść w reakcję z enzymami,
które je naprawiają i składają w całość.
Rozpoczęliśmy produkcję odcinków
o długości 5 - 7 tys. liter,
które składaliśmy w odcinki 24 tys. liter,
aby łączyć je w zestawy aż do 72 tys.
Na każdym etapie tworzyliśmy mnóstwo fragmentów,
aby móc je sekwencjonować.
Staraliśmy się stworzyć niezwykle wydajny proces,
co za chwilę zobaczycie.
Chcemy dojść do automatyzacji.
Jak w dogrywce koszykówki.
Długie fragmenty DNA,
te ze 100 tys. par zasad,
nie replikują się łatwo w E.coli.
To granica znanej biologii molekularnej.
Zwróciliśmy się ku innym rozwiązaniom.
Istnieje mechanizm rekombinacji homologicznej,
który naprawia DNA,
składa elementy razem.
Oto przykład:
Istnieje organizm zwany
Deinococcus radiodurans,
zdolny wytrzymać 3 mln radów promieniowania.
U góry widać jego rozerwany chromosom.
W 12 do 24 godzin później
wrócił do oryginalnego stanu.
Tysiące organizmów to potrafią.
Można je całkowicie odwodnić,
umieścić w próżni.
Uważam życie w kosmosie za pewnik.
Organizmy odnajdują nowe środowiska wodne.
NASA pokazało, że jest tego tam sporo.
Oto mikrofotografia cząsteczki, którą zbudowaliśmy
za pomocą mechanizmów stosowanych przez drożdże.
Wprowadzone drożdże automatycznie łączą
prawidłowo zaprojektowane części.
To nie jest mikrofotografia elektronowa,
tylko zwykła mikrofotografia.
Cząsteczka jest na tyle duża,
że widać ją pod mikroskopem optycznym.
Te zdjęcia zrobiono w ciągu 6 sekund.
Oto wydana przez nas niedawno publikacja.
Ponad 580 tys. liter kodu genetycznego.
To największa sztuczna cząsteczka o określonej strukturze.
Ma ponad 300 mln jednostek masy cząsteczkowej.
Wydruk czcionką o rozmiarze 10, bez spacji,
zająłby 142 strony,
sam wydruk tego kodu.
Jak pobudzić chromosom? Jak go aktywujemy?
W przypadku wirusa to dosyć proste.
Gorzej z bakterią.
Jest to w miarę proste
u eukariotów takich jak my;
wystarczy wydobyć jądro
i zastąpić je innym,
co znacie jako klonowanie.
U bakterii i archeonów chromosom jest częscią komórki,
ale zdołaliśmy dokonać transplantacji
chromosomu z jednej komórki do drugiej,
łącznie z aktywacją.
Wyodrębniliśmy chromosom z jednego gatunku mikroba.
Te gatunki są tak odmienne jak ludzie i myszy.
Dodaliśmy kilka nadliczbowych genów,
żeby móc wyodrębnić ten chromosom,
wytrawiliśmy go enzymami,
żeby zabić wszystkie proteiny.
Po wprowadzeniu do komórki
stało się coś zdumiewającego.
Podziwiajcie zaawansowaną grafikę.
Nowy chromosom wniknął do komórki.
Sądziliśmy, że na tym koniec,
ale spróbowaliśmy proces nieco posunąć.
Mamy tu podstawowy mechanizm ewolucji.
Różne rodzaje gatunków
dorobiły się drugiego chromosomu,
albo i trzeciego,
dodając tysiące nowych cech
do danego gatunku w sekundę.
Ludzie, którzy sądzą, że ewolucja
zmienia po jednym genie na raz,
przegapili sporo z biologii.
Istnieją tzw. enzymy restrykcyjne,
które trawią DNA.
Chromosom w tej komórce
takich nie ma.
Chromosom wprowadzony przez nas je posiada.
Został on wydzielony i rozpoznał
w drugim chromosomie obcy materiał,
przeżuł go, zostawiając nam
komórkę z nowym chromosomem.
Dodane przez nas geny zabarwiły ją na niebiesko.
W bardzo krótkim czasie
wszystkie cechy jednego gatunku zanikły
i komórka zmieniła się w nowy gatunek,
oparty na wprowadzonym oprogramowaniu.
Zmieniły się proteiny,
zmieniły się membrany,
kod genetyczny uległ zamierzonej zmianie.
Brzmi to jak genomiczna alchemia,
ale dzięki cyfrowemu oprogramowaniu DNA
potrafimy dokonywać dramatycznych zmian.
Dowodzimy, że nie jest to geneza,
tylko budowanie w oparciu o 3,5 mld lat ewolucji.
Twierdzę, że być może jesteśmy blisko
stworzenia nowej wersji eksplozji kambryjskiej,
z masową specjacją
opartą na projektowaniu cyfrowym.
Dlaczego jest to potrzebne?
Niektóre potrzeby wydają się oczywiste.
Populacja wzrośnie z 6,5 mld
do 9 mld w ciągu 40 lat.
Ujmując to w osobistym kontekście:
Urodziłem się w 1946 r.
Na każdą istniejącą wówczas osobę
obecnie jest ich trzy,
a w ciągu 40 lat będą cztery.
Mamy kłopot z zapewnieniem pożywienia,
świeżej, czystej wody, lekarstw, paliwa
dla 6,5 mld ludzi.
Dla 9 mld będzie jeszcze trudniej.
Zużywamy ponad 5 mld ton węgla,
ponad 30 mld baryłek ropy,
czyli 100 mln baryłek dziennie.
Jakiekolwiek biologiczne i inne procesy
służące zaspokajaniu naszych potrzeb
będą ogromnym wyzwaniem.
Do tego dochodzi
emisja dwutlenku węgla,
który dostaje się do atmosfery.
Z odkryć na świecie
mamy bazę danych z 20 mln genów.
Są to komponenty projektowe przyszłości.
Przemysł elektroniczny ma kilkanaście komponentów,
a spójrzcie na różnorodność produktów.
Ogranicza nas zasadniczo
biologiczna rzeczywistość
i nasza własna wyobraźnia.
Dzięki metodom szybkiej syntezy
mamy teraz techniki
tzw. genomiki kombinatorycznej.
Obecnie możemy zbudować duże urządzenie,
mogące produkować milion chromosomów dziennie.
Co do przetwarzania 20 mln odmiennych genów,
optymalizacjj procesów produkcji oktanów,
produkcji farmaceutyków,
lub nowych szczepionek,
mały zespół ludzi
może osiągnąć w biologii molekularnej więcej,
niż cała nauka z ostatnich 20 lat.
Mówię tu tylko o standardowym doborze.
Potrafimy dobierać według różnorodności,
produkcji chemikaliów lub paliw,
produkcji szczepionek itd.
Oto ilustracja
prawdziwego oprogramowania projektowego,
które ma pomóc
projektować gatunki komputerowo.
Jeszcze nie wiemy, jak będą wyglądały,
ale znamy dokładnie ich kod genetyczny.
Skupiamy się teraz na paliwach czwartej generacji.
Jak ostatnio widzieliśmy,
zamiana kukurydzy w etanol to niewypał.
Paliw drugiej i trzeciej generacji
spodziewamy się już niebawem.
Są pochodnymi cukru i wydajnych paliw
jak oktany i różne rodzaje butanolu.
Jedynym sposobem, w jaki biologia
może mieć poważny wpływ
bez podniesienia cen żywności,
będzie traktowanie dwutlenku węgla jako surowca.
W tym kierunku projektujemy komórki.
Spodziewamy się czwartej generacji paliw
w ciągu 18 miesięcy.
Światło słoneczne i dwutlenek węgla to jedna metoda...
(Brawa)
... ale w naszych odkryciach
mamy różne metody.
Oto organizm, który opisaliśmy w 1996 r.
Żyje w głębi oceanu,
ponad 2 kilometry pod powierzchnią,
w temperaturze bliskiej wrzenia.
Zamienia dwutlenek węgla w metan,
czerpiąc energię z cząsteczek wodoru.
Sprawdzamy, czy możliwe jest
zastąpienie dwutlenku węgla,
który może być łatwo doprowadzony rurami,
i przekształcenie go z powrotem w paliwo
do napędzania tego procesu.
W krótkim czasie
będziemy mogli lepiej zrozumieć
podstawowe pytanie "Czym jest życie".
Naprawdę mamy
skromne cele
zastąpienia całego przemysłu petrochemicznego...
(Śmiech) (Oklaski)
Jeśli nie na konferencji TED, to gdzie?
...używania sztucznych gatunków
jako głównych źródeł energii.
Używamy teraz tych samych narzędzi
do tworzenia błyskawicznych zestawów szczepionek.
Widzieliśmy to w przypadku grypy.
Zawsze jesteśmy o rok i o dolara do tyłu
jeśli chodzi o właściwe szczepionki.
To da się zmienić
przez tworzenie złożonych szczepionek.
Oto jak może wyglądać w przyszłości
ewolucyjne drzewo
i przyspieszona ewolucja
syntetycznych bakterii, archeobakterii,
aż do eukariotów.
Daleko nam jeszcze do ulepszania ludzi:
Chcemy zapewnić sobie szansę doczekania chwili,
gdy będzie to już możliwe. Dziękuję bardzo.
(Brawa)