Крейг Вентър е на прага на създаването на синтетичен живот

Знаете ли, говорих за някои от тези проекти преди, за човешкия геном, и за това какво може да означава, за откриването на нов набор от гени. Всъщност започваме от ново място: дигитализирахме биологията и сега се опитваме да преминем от този дигитален код към нов етап на биологията, с проектирането и синтезиране на живот.

И така, винаги се опитваме да зададем големи въпроси: "Какво е животът?" е нещо, което мисля, че много биолози се опитват да разберат, на различни нива. Опитахме различни подходи, за да го намалим до минималните му компоненти. Дигитализираме го повече от 20 години. Когато разкодирахме човешкия геном, преминахме от аналоговия свят на биологията до дигиталния свят на компютрите. Сега се опитваме да разберем, дали може да рагенерираме живот, или да създадем нов живот от този дигитален свят?

Това е картата на малък организъм, Mycoplasma genitalium (Микоплазма гениталиум), която има най-малкият геном за вид, който може да се самовъзпроизвежда в лаборатория. Опитваме се да открием, дали може да измислим дори още по-малък геном. Може да елиминираме в порядъка на около 100 гена, от всичките около 500, които се намират тук. Но когато погледнем в метаболичната му карта, тя е доста по-проста, в сравнение с нашата. Вярвайте ми, това е нещо просто. Но когато погледнем всички гени, които може да елиминираме един по един, то това е малко вероятно да даде жива клетка. И така, решихме, че единствения път напред е, ако всъщност синтезираме този хромозом, така че бихме могли да варираме компонентите му, за да запитаме един от тези най-основни въпроси. И така започнахме с: "Може ли да синтезираме хромозом?" Може ли химията да ни позволи да направим тези наистина големи молекули, нещо, което не сме правили никога преди? И ако може да го направим, можем ли да активираме хромозома? Хромозомът, между другото, е просто частица инертен химически материал. И така, темпа на дигитализиране на живота се увеличава експоненциално.

Способостта ни да записваме генетичен код прогресираше твърде бавно, но започна да се увеличава. Последната ни точка, би го поставила на експоненциална крива. Започнахме това преди 15 години. Отне няколко етапа, на практика, започнахме с биоетичен преглед, преди да започнем с първите опити. Но се оказа, че синтезирането на ДНК е доста трудно. Има десетки хиляди машини по света, които правят малки частици от ДНК, 30 или 50 думи дълги, и това е дегенериран процес, така че колкото по-дълга е частта, толкова повече грешки се правят. Така че, трябваше да създадем нов метод, за да сглобим тези малки частици и да поправим всички грешки.

И това беше първият ни опит, започвайки с дигиталната информация на генома на Phi X 174. Това е малък вирус, който убива бактерии. Проектирахме частите, преминахме през коригирането на грешки, и получихме ДНК молекула с около 5000 гена. Вълнуващата фаза дойде, когато вземахме тази част от инертен химически материал и я поставихме в бактерията, и бактерията започна да чете този генетичен код, и направи вирусните частици. Вирусните частици после бяха отделени от клетките, после се върнаха и убиха E. coli (Ешерихия коли). Говорих наскоро с хора от петролната индустрия и мисля, че те разбраха този модел доста добре.

(Смях)

Те се смяха повече от вас.

И така, ние мислим, че това е ситуация, при която софтуера всъщност може да построи хардуера си, в дадена биологична система. Но ние искахме да отидем по-надалеч. Искахме да изградим цялата бактериална хромозома. Това са повече от 580 000 думи от генетичен код. Така мислихме да ги направим в касети с големината на вируси, така че да можем да променяма касетите, за да разберем, какви са действителните компоненти на жива клетка. Дизайнът е от решаващо значение, и ако се започва с дигитална информация от компютър, то тази дигитална информация трябва да бъде наистина точна. Когато секвентирахме за първи път този геном през 1995 г., стандартът за точност беше една грешка на 10 000 базови двойки. В действителност окрихме, след като я секвентирахме отново, 30 грешки. Ако бяхме използвали тази първоначална последователност, тя нямаше никога да се активира. Част от проектирането е изработването на частици, които са с дължина от 50 букви, които трябва се припокриват с всички останали частици с дължина от 50 букви, за да построим по-малки подединици, които да проектираме, за да си пасват. Ние създадохме уникални елементи в това.

Може да сте чели, че поставихме отличителни знаци вътре. Помислете над това: ние имаме четирибуквен генетичен код: А, Ц, Г и Т. Тройки от тази буква -- от тези букви, кодират приблизително около 20 аминокиселини -- само една буква обозначава всяка от аминокиселините. И така, може да използваме генетичния код за да пишем думи, изречения, мисли. Първоначално, това което направихме беше автограф. Някои хора бяха разочаровани, че нямаше поезия. Ние създадохме тези частици така, че да ги манилулираме с ензими. Има ензим, който може да ги поправи и да ги сглоби. И така започнахме да правим частици, започнахме с частици, които бяха от 5 до 7000 букви, нагодихме ги за да получим частици от 24 000 букви, после ги обединихме в групи, с големина до 72 000.

Във всеки етап, ние произвеждахме тези частици в изобилие, за да може да ги секвентираме, понеже се опитвахме да създадем процес, който беше изключително стабилен, което може да видите след минута. Опитваме се да достигнем до ръба на автоматизацията. Това прилича на баскетболен плейоф. Когато се захванем с тези наистина големи частици -- над 100 000 базови двойки -- те повече не растат лесно в Е. коли. Това изчерпва всички съвременни инструменти на молекулярната биология. И така се обърнахме към други механизми. Знаехме, че съществува механизъм наречен хомологична рекомбинация, който биологията използва за да поправя ДНК, който може да сглоби отделни частици. Ето и пример за това. Това е организъм наречен Deinococcus radiodurans (Деинококус радиодуранс), който може да погълне до три милиона рада от радиация.

Може да видите в горната част, негов хромозом се е разпаднал на части. След 12 до 24 часа, го сглобява обратно както е бил преди. Има хиляди организми, които могат да направят това. Тези организми могат да бъдат напълно обезводнени. Могат да живеят във вакуум. Напълно съм сигурен, че живот може да съществува в открития космос, да се предвижва наоколо, и да открива нови водни среди. В действителност НАСА показа, че много от това е там.

Ето и действителна микроснимка на молекулата, която изградихме, използвайки тези процеси -- всъщност само използвайки дрождови механизми, с правилен дизайн на парчетата, в които ги поставихме. Дрождите ги комбинират автоматично. Това не е електронна микроснимка, тове е нормална микроснимка. Просто молекулата е много голяма, че може да я видим със светлинен микроскоп. Това са снимки от приблизително шест-секундов период.

Това е публикацията, която направихме наскоро. Това са над 580 000 думи от генетичен код. Това е най-голямата молекула, създадена някога от човек, на определена структура. Тежи малко повече от 300 милиона молекулярни маси. Ако я отпечатаме с 10 точков шрифт без празни места, ще отнеме 142 страници, само за отпечатването на този генетичен код. Как да задвижим хромозомът? Как да го активираме? Очевидно, с вирусите е доста просто. Много по-сложно е, когато се занимаваме с бактерии. Също така е по-просто, ако се занимавате с еукариоти, като нас самите, може просто да извадите ядрото и да поставите друго, и това се случва при клонирането, за което всички сте чували. При бактерията archaea (археа), хромозомът е вграден в клетката, но ние показахме наскоро, че може да направим пълна трансплантация на хромозом от една на друга клетка, и да го активираме. Ние прочистихме хромозом от един микробен вид. Грубо казано, тези два вида се различават както човек и мишка. Добавихме няколко допълнителни гени, за да може да селектираме този хромозом. Усвоихме го с ензими, за да убием всички протеини. Беше доста зашеметяващо, когато поставихме това в клетката -- ще оцените нашите много сложните графики тук -- новия хромозом влезе в клетката. В действителност, си мислихме, че можеше да стигнем само до там, но се опитахме да проектираме процеса и малко по-нататък.

Това тук е важен механизъм за еволюцията. Откриваме различни видове, които са приели втори хромозом, или три отнякъде, добавяйки хиляди нови черти, за броени секунди към този вид. Така че хората, които се мислят за еволюцията като просто един ген, променящ се във времето, са пропуснали доста от биологията.

Има ензими наречени рестрикционни ензими, които всъщност поглъщат ДНК. Хромозомът, който беше в клетката няма такъв. Клетката, в която поставихме хромозома, има. Стана изразен и разпозна другия хромозом като чужд материал, погълна го, и накрая се оказахме само с клетката с новия хромозом. Стана синя заради гена, който поставихме в нея. И за много кратък период от време, всички характеристики на един вид бяха загубени, и тя се трансформира в напълно нов вид, базиран на новия софтуер, който поставихме в клетката. Всички протеини се промениха, мембраните се промениха -- когато четем генетичния код, точно това бяхме трансферирали.

Това може да звучи като геномна алхимия, но ние можем, чрез разместване на ДНК софтуера, да променим доста драстично нещата. Сега, твърдя, че това не е генезиз -- това е градене върху три и половина милиарда години от еволюция, и твърдя, че може би сме на път да създадем нова версия на експлозията през Камбрия, където има изобилие от нови видове, базирани на този дигитален дизайн.

Защо да правим това? Мисля, че това е доста очевидно, в предвид на някои от нашите нужди. На път сме да станем от 6,5 на 9 милиарда човека през следващите 40 години. За да го поставя в перспектива с мен: роден съм през 1946. В момента има 3 човека на планетата, за всеки от нас, който съществуваше през 1946; до 40 години ще бъдат 4. Имаме проблем с изхранването, подсигуряването на прясна, чиста вода, лекарства, гориво за 6,5 милиарда, ще е още по-трудно да се прави за 9. Използваме повече от 5 милиарда тона въглища, повече от 30 милиарда барела петрол. Това прави сто милиона барела на ден. Когато си мислим за биологичните процеси, или който и да е процес, който ще замени това, ще бъде огромно предизвикателство. После, разбира се, това е всичкия този CO2 от този материал, който се озовава в атмосферата.

Сега, благодарение на нашите открития по цял свят, разполагаме с база данни с около 20 милиона гени, и ми се иска да си мисля за тях, като за дизайнерски компоненти за бъдещето. Електронната промишленост разполага само с дузина компоненти, а погледнете в цялото това разнообразие, което произлезе от този проект. Тук сме ограничени предимно от биологичната действителност и от нашето въображение. Сега разполагаме с техниките, заради тези бързи методи на синтезиране, да правим това, което се нарича комбинаторна генетика. Сега разполагаме с възможността да построим голям робот, който може да направи един милион хромозоми на ден. Когато се замислите за обработването на тези 20 милиона различни гени, или за опитите да се оптимизират процесите за производство на октан, или за производство на фармацевтични продукти, нови ваксини, може да променим, само с един малък екип, да правим повече молекулярна биология, отколкото през последните 20 години на всички науки. И това е просто стандартна селекция. Може да селектираме по жизнеспособност, за производство на химикали или горива, за производство на ваксини, и други.

Това е снимка на екрана, на истински софтуер за дизайн, върху който работим, за да можем да седнем и да проектираме видове на компютъра. Знаете ли, нямаме представа как ще изглежда непременно. Знаем как точно ще изглежда техния генетичен код. Сега се съсредоточаваме върху четвърто поколение горива. Видяхте наскоро, че царевицата, превърната в етанол е просто един лош експеримент. Имаме второ и трето поколение горива, които ще се появят относително скоро, които са захар, преобразуван в горива с по-голяма стойност, като октан или различни видове бутанол.

Но единствения начин по който мислим, че биологията може да окаже голямо въздействие без по-нататък да се увеличава цената на горивата, и без да се ограничава достъпността е, ако започнем с CO2 като изходна суровина, и така работим над проектирането на клетки, които да правят това. Мислим, че ще имаме първите горива от четвърто поколение след около 18 месеца. Слънцето и CO2 са един метод -- (Ръкопляскане) -- но в нашите открития по целия свят, ние имаме всякакви други методи.

Това е организъм, който описахме през 1996. Той живее в дълбоката част на океана, на почти 2,4 километра дълбочина, при почти вряща температура на водата. Той преобразува CO2 в метан, като използва молекулярен водород като енергиен източник. Опитваме се да открием, дали може да вземем прихванат CO2, който може да бъде пренесен лесно до определени места, и да преобразуваме CO2 отново в гориво, за да подхраним този процес.

И така скоро, мисля, че може да увеличим нашето знание, в основния въпрос, за това "Какво е животът?" Наистина, знаете ли -- имаме скроми цели, да заменим цялата нефтохимическа индустрия.

(Смях) (Ръкопляскане)

Да, ако не може да го постигнете в TED, къде другате може да го сторите?

(Смях)

Да се превърнат в основен източник на енергия. Но също така, ние работим над използването на тези същите инструменти, за да добием мигновен набор от ваксини. Видяхте тази година с грипа, че сме винаги година назад, и с един долар по-малко, когато става дума за правилната ваксина. Мисля, че това може да се промени, като се изградят предварително комбинаторни ваксини. Ето как може да започне да изглежда бъдещето, с променящо се сега, еволюционно дърво, ускоряване на еволюцията със синтетични бактерии, археа, и в последствие еукариоти. Ние сме още далеч от подобряване на хората. Нашата цел е само да се уверим, че имаме шанс да оцелеем достатъчно дълго за да направим това. Много ви благодаря.

(Ръкопляскане)