كريغ فنتر على وشك تصنيع حياة إصطناعية

تعلمون، لقد تحدثت عن بعض هذه المشاريع من قبل، حول الجينوم البشري وما قد يعنيه هذا، وإكتشاف مجموعات جديدة من الجينات. فنحن في الواقع نبدأ من نقطة جديدة: لقد كنا نقوم برقمنة علم البايولوجي، والآن نحاول الإنتقال من تلك الشفرة الرقمية إلى مرحلة جديدة للبايولوجي، مع تصميم وإصطناع الحياة.

إذاً، فقد كنا دائماً نحاول طرح الأسئلة الكبيرة. " ما هي الحياة؟" هو شئ كما أعتقد يحاول العديد من علماء البايولوجي فهمه في مستويات مختلفة. لقد حاولنا مقاربات متعددة، نرجعه لأقل العناصر. كنا نقوم برقمنتها حتى الآن لحوالي 20 سنة. عندما قمنا بسلسلة الجينوم البشري، لقد كنا ننتقل من العالم المتماثل للبايولوجي إلى العالم الرقمي للكمبيوتر. الآن ما نحاول السؤال عنه، هل يمكننا إعادة توليد الحياة، أو هل يمكننا خلق حياة جديدة، من هذا العالم الرقمي؟

هذه خارطة لكائن صغير، الميكوبلازما التناسلية التي لديها أصغر جينوم لكائن حي الذي يمكن أن يصنع نسخة طبق الأصل منه في المختبر. وقد كنا نحاول معرفة إذا كنا نستطيع التوصل لجينوم أصغر حتى. فنحن قادرون على بناء مستوى مئات الجينات من ال 500 أو شبه ذلك هنا. لكن حينما ننظر إلى خارطة التمثيل الغذائي، فأنها بسيطة نسبياً مقارنة بخاصتنا. ثقوا بي، هذا سهل. لكن حينما تنظر في كل الجينات التي يمكننا صنعها واحدة في كل مرة، فمن غير المرجح أن هذا سيقود إلى خلية حية. لذا، فقد قررنا أن الطريق الوحيد إلى الأمام كان هو تصنيع هذه الكروموسومات بحيث أستطعنا تغيير المكونات لنسأل بعض هذه الأسئلة الأساسية جداً. ولذا فقد بدأنا الطريق، "هل يمكننا تصنيع الكروموسومات؟" هل ستسمح الكيمياء بصنع هذه الجزيئات الكبيرة حقاً التي لم نتوصل إليها بتاتاً من قبل؟ و، إن إستطعنا، هل يمكننا تحريك الكروموسوم؟ الكروموسوم بالمناسبة، ليس سوى قطعة من المواد الكيماوية الخاملة. إذاً فوتيرتنا لرقمنة الحياة قد تزايدت بمعدل أسي.

إن مقدرتنا على كتابة شفرة جينية كانت تتحرك ببطء شديد، لكنها أصبحت تتسارع. وأن إكتشافنا الأخيرة سيضعها الآن في منحنى أسي. لقد بدأنا هذا قبل ما يزيد على 15 سنة مضت. لقد أستغرقت عدة مراحل، في الحقيقة، بدء بمراجعة أخلاقيات العلوم الحيوية قبل تجربتنا الأولى. لكن وضح أن الحمض النووي الإصطناعي صعب للغاية. هذه عشرات الآلاف من الآلات حول العالم التي تصنع قطع صغيرة للحمض النووي، طوله 30 إلى 50 حرفاً ، وهي تقوم بإعادة توليد العملية، لذا فكلما كانت القطعة أطول، كلما صاحبها أخطأ أكثر. لذا فقد توجب علينا إقتراح طريقة جديدة لوضع هذه القطع الصغيرة سوياً وتصحيح كل الأخطاء

وهذه كانت محاولتنا الأولى، بداية بالمعلومات الرقمية لجينوم Phi X 174. إنه فيروس صغير يقتل الباكتريا. لقد صممنا هذه القطع، ومررنا بالتصحيح الذي عملناه، وحصلنا على جزيء حمض نووي من حوالي 5،000 حرفاً. المرحلة المثيرة جاءت عندما أخذنا هذه القطعة من الكيمياء الخاملة ووضعناها مع الباكتريا، وبدأت الباكتريا في قراءة هذه الشفرة الجينية، وصنعت الجسيمات الفيروسية. ثم أطلقت الجزيئات الفيروسية من الخلايا، ثم رجعت وقتلت الإشريكية القولونية. كنت أتحدث مؤخراً مع قطاع صناعة النفط، وقلت أنهم يفهمون هذا النموذج بكل وضوح.

(ضحك)

لقد ضحكوا أكثر منكم بكثير.

ولذا فنحن نعتقد أن هذا هو الحال حيث تقوم البرمجيات ببناء الأجزاء الصلبة التي تناسبها في النظام البيولوجي. لكننا أردنا المضي أكثر بكثير. رغبنا ببناء كل الكروموسوم للبكتريا. إنها أكثر من 580،000 حرفاً من الشفرة الجينية. لذا فقد فكرنا ببنائها على شريط في حجم الفيروسات، إذاً فقد أمكننا في الواقع تنويع الأشرطة لفهم ماهية المكونات الحقيقية للخلية الحية. التصميم مهم، وإذا بدأت بالمعلومات الرقمية على الكمبيوتر، فان تلك المعلومات الرقمية يجب أن تكون دقيقة حقاً. عندما قمنا بتسلسل هذا الجينوم عام 1995، فأن معيار الدقة كان خطأ لكل 10،000 زوج في الأساس. لقد وجدنا في الواقع، بإعادة سلسلتها، 30 خطاءً. سيكون تمهيداً أننا سلسلنا الأصل، فإنه أبدا لم يكن ليتمكن من التحرك. جزء من التصميم هو تصميم القطع التي يزيد طولها عن 50 حرفاً التي تتداخل مع كل الأحرف ال 50 الأخرى لبناء وحدات فرعية أصغر ينبغي علينا تصميمها بحيث تكون معاً. نحن نصمم عناصر متفردة في هذا.

ربما قرأتم أننا وضعنا علامات مائية فيها. فكروا بهذا: لدينا أربعة أحرف للشفرة الجينية: A, C, G و T. ثلاثية من تلك الحروف شفرة لتقريباً 20 حمض أميني-- ذلك ان هناك تعيين لحرف مقابل كل حمض أميني. لذا فيمكننا إستخدام الشفرة الجينية لكتابة كلمات، جُمل، أفكار. مبدئياً، كلما فعلناه كان توقيعها. كان بعض الناس غاضباً لأنه لم تكن قصيدة. لقد صممنا هذه القطع بحيث نستطيع مضقها مع الإنزيمات. هناك إنزيمات يمكنها إصلاحها-الحروف- ووضعها سوياً. وقد بدأنا نصنع القطع، بدء من القطع التي تبلغ خمسة إلى 7،000 حرفاً، ضع أؤلئك معاً لتصنع 24،000 قطعة، ثم ضع مجموعة من تلك، يرتفع الرقم إلى 72،000.

في كل مرحلة، ننمي هذه القطع بوفرة بحيث نستطيع سلسلتها لأننا نحاول صنع عملية قوية للغاية-- التي يمكنكم رؤيتها خلال دقيقة. نحن نحاول الوصول لنقطة التشغيل الآلي. إذاً، هذا يبدو وكأنه مباراة كرة سلة. عندما نصل لهذه القطع الكبيرة حقاً-- ما يزيد على 100،000 زوج في الأساس-- فانها لن تنمو أطول بسهولة في الإشريكية القولونية. إنها ترهق كل معدات البيولوجيا الحيوية الحديثة. ولذا فقد تحولنا إلى آليات أخرى. علمنا أن هناك آلية تسمى إعادة التركيب المتماثل، التي تستخدم في البيولوجي لإصلاح الحمض النووي، ويمكنها وضع القطع سوياً. ها هو مثال لذلك. هناك كائن حي يسمى باكتريا Deinococcus radiodurans التي يمكنها إستقبال ثلاثة ملايين شعاع من الأشعة.

يمكنكم رؤيتها في قمة اللوحة، كروموسومها يحترق جزئياً. 12 إلى 24 ساعة لاحقاً، تقوم بوضعه سوياً مجدداً كما كانت من قبل. لدينا آلالاف الكائنات الحية التي يمكنها فعل نفس الشئ. يمكن لهذه الكائنات أن تكون جافة تماماً. يمكن أن تعيش في أنبوب. أنا متأكد تماماً أن الحياة يمكن أن تتواجد في الفضاء الخارجي، تتنقل، تجد بيئة مائية جديدة. في الواقع، لقد عرضت وكالة ناسا الكثير من هذا.

هناك صورة مجهرية للجزيء الذي بنيناه بإستخدام هذه العمليات -- في الواقع بإستخدام آليات التخمير مع التصميم الصحيح للقطع التي نضعها سوياً. التخمير يضعهم سوياً بصورة آلية. هذه ليست صورة إلكترونية مجهرية. هذه مجرد صورة مجهرية عادية. إنها مجرد جزيء كبير يمكننا رؤيته على مايكروسكوب ضوئي. هذه الصور لما يزيد على فترة الست ثواني.

إذاً هذه هي النشرة التي حصلنا عليها للتو قبل قليل. هذا أكثر من 580،000 حرفاً من الشفرة الجينية. إنها أكبر جزيء تم صنعه بواسطة البشر لشكل معروف. إنها تزن أكثر من وزن 300 مليون جزيء. إذا طبعناها بحجم الخط 10 بدون فراغات، فإنها تأخذ 142 صفحة فقط لطباعة هذه الشفرة الجينية. حسناً، كيف يمكننا تحريك الكروموسوم؟ كيف يمكننا تنشيطه؟ عادةً، مع الفيروس الأمر غاية في البساطة. التعامل مع الباكتريا أعقد بكثير . إنه كذلك أبسط عندما تدخل إلى النواة مثلنا: يمكنك فقط سحب النواة وإدخالها في واحدة أخرى، وهذا كل ما سمعتموا عنه بشأن الإستنساخ. مع عتائق الباكتريا، فأن الكروموسوم يدمج داخل الخلية، لكننا قمنا مؤخراً بإثبات أنه يمكننا زراعة كاملة لكروموسوم من خلية إلى خلية أخرى وتفعيل الخلية. نحن ننقي الكروموسوم من كائن مايكروبي واحد. تقريباً، هذين الأثنتين بعيدتان مثل البشر والفئران. وقد أضفنا بعض الجينات القليلة بحيث يمكننا الإختيار لهذه الكروموسوم. وقمنا بخلطها مع الإنزيمات لقتل البروتينات. وقد كان مذهل للغاية عندما وضعنا هذا في الخلية -- سوف نقدّر رسوماتنا الرائعة للغاية هنا -- إنتقل الكروموسوم الجديد لداخل الخلية. في الحقيقة، لقد أعتقدنا أن هذا ربما يكون بقدر ما وصلت، لكننا حاولنا تصميم العملية بصورة أوسع بقليل.

هذه هي آلية رئيسية للتطوّر ها هنا. نحن نجد كل أنواع الكائنات التي أخذت كروموسوم ثاني أو ثالث من مكان آخر، مضيفةً آلالاف السمات الجديدة بجانب تلك الكائنات. لذا فالناس الذين يؤمنون بالتطوّر كمجرد جين واحد يتغيّر كل فترة قد ضيّعوا الكثير من البايولوجي.

هناك إنزيمات تسمى إنزيمات التقييد التي في الواقع تهضم الحمض النووي. الكروموسوم الذي كان في الخلية لم يكن لديه أحدها. الخلية -- الكروموسوم الذي وضعناه داخلها -- كان له أحداها. لقد تم إستقباله والتعرف على الكروموسوم الآخر كمادة غريبة، تم مضغه، وعليه توصلنا إلى خلية واحدة بكروموسوم جديد. لقد تحولت للون الأزرق بسبب الجينات التي وضعناها فيها. ومع مرور فترة زمنية قصيرة للغاية، كل صفات الكائن الواحد قد أختفت وقد تحولت كلياً إلى كائن جديد، بناء على برنامج جديد نحن وضعناه في الخلية. تغيرت كل البروتينات، وتغيرت الأغشية -- وعندما نقرأ الشفرة الجينية، فإنها بالضبط ما قمنا بنقله داخلها.

إذاً فهذا ربما يبدو مثل الكيمياء الجينية، لكن يمكننا، بتغيير برنامج الحمض النووي، تغير الأشياء بصورة أكثر جذريةً. الآن، لقد جادلت بأن هذا ليس تكوّن -- هذا بناء على ثلاثة ونصف مليار سنة من التطوّر، ولقد جادلت بأننا ربما على وشك إنشاء نسخة جديدة من الانفجار الكمبري حيث هناك كمية مذهلة جديدة من النشوء بناء على هذا التصميم الرقمي.

لم نفعل هذا؟ أعتقد أن هذا هو واضح جدا من حيث بعض الاحتياجات. نحن على وشك أن نصبح من ستة ونصف إلى تسعة مليار نسمة خلال ال 40 سنة القادمة. لأضعها في السياق لنفسي: لقد وُلدت عام 1946. هناك ثلاثة أشخاص على الكوكب لكل منا كان موجوداً عام 1946. خلال 40 سنة، سيكونوا أربعة. لدينا مشكلة في توفير الغذاء، الماء النظيف، الدواء، الوقود للستة ونصف مليار نسمة. سيكون تمدداً فعل ذلك للتسعة مليارات نسمة. نحن نستخدم ما يزيد على 5 مليارات طن من الفحم، 30 مليار وأكثر برميل من النفط. ذلك مائة مليون برميل يومياً. عندما تحاول التفكير بالعمليات البايولوجية أو أي عملية لإحلال ذلك، فأنه سيكون تحدياً ضخماً. ثم، بالطبع هناك ثاني أوكسيد الكربون من هذه المواد الذي سينتهي في الغلاف الجوي.

نحن الآن، من إستكشافنا للعالم، لدينا قاعدة بيانات لحوالي 20 مليون من الجينات، وأرغب في التفكير بها كمكونات تصميم للمستقبل. إن قطاع الإلكترونيات لديه فقط حفنة أو يزيد من المكونات، وأنظروا للتنوع الذي جاء جراء ذلك. نحن محدودون هنا في الأساس بالحقائق البايولوجية وبخيالنا. لدينا الآن الأساليب، بسبب هذه الطرق السريعة للتجميع، لتنفيذ ما نسميه الجينوم الإندماجي. لدينا المقدرة الآن لبناء روبوت ضخم الذي يمكنه صنع مليون كروموسوم يومياً. حينما تفكر بمعالجة هذه ال 20 مليون جين المختلفة، أو محاولة تحسين العمليات لإنتاج أوكتان أو المستحضرات الصيدلانية ، لقاحات جديدة، يمكننا أن نغيّر، فقط بواسطة فريق صغير، عمل أحياء الجزيئية أكثر من العشرين سنة الأخيرة لكل العلوم. وانها مجرد اختيار قياسي. يمكننا الإختيار للوفرة، الإنتاج الكيميائي أو الوقود، إنتاج اللقاحات، وهلمجرا.

هذه لقطة من الشاشة لبعض برامج التصميم الحقيقية التي نعمل عليها للتمكن من الجلوس وتصميم كائنات على الكمبيوتر. تعلمون، نحن لا نعلم بالضرورة ما ستبدو عليه. نحن نعلم بالضبط ما تبدو عليه شفرتها الجينية. نحن نركز الآن على الجيل الرابع للوقود. لقد شهدنا مؤخراً أن تحويل الذرة إلى إيثانول وهي مجرد تجربة سيئة. لدينا جيل ثاني وثالث من الوقود الذي سيأتي قريباً نسبياً وهو السكر، وهو وقود أعلى قيمة بكثير   مثل الأوكتان أو الأنواع المختلفة للبيوتانول.

لكن الطريقة الوحيدة التي نعتقد أن البيولوجي يمكن أن يكون لها تأثير كبير بدون تزويد سعر الغذاء أكثر والحد من وفرته هي إذا بدأنا بثاني أوكسيد الكربون كمادة وسيطة، ولذا فنحن نعمل على تصميمات للخلايا للذهاب في هذا الإتجاه، ونعتقد أننا سنحصل على أول وقود من الجيل الرابع في حوالي 18 شهراً. ضوء الشمس وثاني أوكسيد الكربون هي طريقة واحدة -- (تصفيق) -- لكن في إستكشافنا حول العالم، لدينا كل الأنواع لبقية الطرق.

هذا هو الكائن الذي وصفناه عام 1996. إنه يعيش في أعماق البحار، على عمق حوالي ميل ونصف تقريباً في درجة حرارة غليان الماء. إنه يأخذ ثاني أوكسيد الكربون إلى الميثان مستخدماً جزيء الهيدروجين كمصدر للطاقة. نحن نبحث لمعرفة إن كان بمستطاعنا أخذ ثاني أوكسيد الكربون الملتقط، الذي يمكن بسهولة إيصاله إلى المواقع، تحويل ثاني أوكسيد الكربون مجدداً إلى وقود، لإنتاج هذه العملية.

إذاً فخلال وقت قصير، نعتقد أنه ربما يمكننا زيادة ما السؤال الأساس الذي هو " ما هي الحياة؟" نحن حقيقة، كما تعلمون-- لدينا أهداف متواضعة لإحلال كل قطاع البتروكيماويات.

(ضحك) (تصفيق)

نعم. إن لم تستطيع فعل ذلك في مؤتمر "تيد"، أين يمكنك فعله؟

(ضحك)

ليصبح مصدراً رئيسياً للطاقة. لكن أيضاً نحن نعمل الآن على إستخدام نفس الأدوات للتوصل إلى مجموعة لحظية من العقاقير. لقد شهدنا هذه السنة مع الأنفلونزا، نحن دائماً متخلفون بسنة وينقصنا دولار عندما يتعلق الأمر بالدواء الصحيح. أعتقد أن الأمر يمكن أن يتغير ببناء عقاقير إندماجية مقدماً. ها هنا ما سيبدو عليه ربما المستقبل بالتغيير، الآن، شجرة التطوّر، تسريع النشوء بالباكتريا الإصطناعية، archea، وفي نهاية المطاف النواة. نحن بعيدون من تحسين قدرات الناس. وهدفنا هو التأكد من أن لدينا فرصة للصمود بما يكفي لفعل ذلك ربما. شكراً جزيلاً لكم.

(تصفيق)