Пол Ротмунд обяснява в подробности ДНК сгъването

Така, хората спорят енергично за определението за живот. Те питат дали то трябва да включва размножаване, метаболизъм, или еволюция. И аз не знам отговора на този въпрос, така че няма да ви го кажа. Ще ви кажа, че животът включва изчисляване. Така че това е една компютърна програма. Заредена в клетка, програмата ще се изпълни и може да доведе до този човек или с малка промяна, тя може да доведе до този човек -- или с друга малка промяна -- до този човек, или с по-голяма промяна -- до това куче или това дърво, или този кит.

Така че сега, ако приемете тази метафора за генома като програма насериозно, трябва да си представите Крис Андерсън като компютърно-генериран продукт, както и Джим Уотсън, Крейг Вентър, както и всички нас. Има много прилики между генетичните програми и компютърните програми, които биха могли да помогнат да повярвате в тази метафора. Но тази, която ми се струва най-убедителна е специфичната чувствителност към малки промени, които могат да предизвикат големи промени в биологичното развитие на завършения продукт. Една малка мутация може да вземе двукрила муха и да я превърне в четирикрила муха. Или може да вземе муха и да й постави крака, където трябва да бъдат антените й. Или, ако сте запознати с "Принцесата булка," тя може да създаде шестпръстов мъж.

Сега, отличителна черта на компютърните програми е точно тази чувствителност към малки промени. Ако вашата банкова сметка е от един долар и вие промените само един бит, бихте могли да се окажете с хиляда долара. Така че тези малки промени са неща, които мисля, че... те ни показват, че зад тези усилени големи промени в развитието стоят сложни изчисления.

Всичко това показва, че в основата на биологията седят молекулярни програми и показва силата на молекулярните програми, които биологията изпълнява. И това, което искам да правя е да пиша молекулярни програми, евентуално за да правим технологии. Има много хора, които се занимават с това, много синтетични биолози правят това, като Крейг Вентър, и те се концентрират върху използването на клетки. Те са ориентирани към клетките. Моите приятели, молекулярни програмисти и аз, използваме подход, в центъра на който са био молекулите. Интересуваме се от използването на ДНК, РНК и протеини, и създаването на нови езици за изграждането на нещата от основата нагоре, използвайки био-молекули, които потенциално няма да са свързани с биология. И така, това са всички машини в една клетка. Има камера. Това са слънчевите панели на клетката, някои ключове, които включват и изключват гените ви, подпорите на клетката, мотори, които движат мускулите ви. Моята малка група от молекулярни програмисти се опитва да моделира всички тези части от ДНК. Ние не сме ДНК фанатици, но ДНК е най-евтиният, най-лесният за разбиране и лесен за програмиране материал за целите ни. И когато други неща станат по-лесни за употреба -- може би протеините -- ние ще работим с тях.

Ако успеем, как ще изглежда молекулярното програмиране? Вие ще седите пред компютъра си. Ще проектирате нещо като мобилен телефон, и на език на високо ниво ще опишете този мобилен телефон. След това ще имате компилатор, който ще вземе това описание и ще го превърне в истински молекули, които могат да бъдат изпратени в синтезатор, и този синтезатор ще опакова тези молекули в семена. И това, което ще се случи, ако напоявате и храните това семе по подходящ начин, е че то ще направи изчисления за развитието, молекулярни изчисления, и ще изгради електронен компютър. И ако не съм ви разкрил все още моите предразсъдъци, мисля, че животът е основно молекулярни компютри, които изграждат електрохимични компютри, които създават електронни компютри, които заедно с електрохимичните компютри, ще изградят нови молекулярни компютри, които ще изградят нови електронни компютри и така нататък.

И ако вярвате на всичко това, и мислите, че животът е в основата си изчисления, както си мисля аз, значи гледате на големите въпроси през погледа на компютърен учен. Ето ви един голям въпрос, как бебето знае кога да спре да расте? А за молекулярен програмист, въпросът е как мобиленият ви телефон знае кога да спре да расте? (Смях) Или как една компютърна програма знае кога да спре да работи? Или по-уместно, как да разберете дали една програма някога ще спре? Има и други подобни въпроси. Един от тях е въпросът на Крейг Вентър. Оказва се, мисля, че той всъщност е компютърен учен. Той попита колко е голям минималният геном, който ще ми даде функциониращ микроорганизъм? Колко малко гени мога да използвам? Това е точно аналогично на въпроса, каква е най-малката програма, която мога да напиша, която ще действа точно като Microsoft Word? (Смях) И точно както той пише, нали, бактерии, които ще бъдат по-малки, пише геноми, които ще работят, бихме могли да напишем по-малки програми, които ще правят това, което прави Microsoft Word.

Но за молекулярното програмиране, нашият въпрос е, колко молекули трябва да поставим в това семе, за да получим мобилен телефон? Кой е най-малкият брой, който можем да използваме? Сега, това са големи въпроси в областта на компютърните науки. Всичко това са въпроси за сложност и компютърната наукa ни казва, че това са много трудни въпроси. Почти -- много от тях са невъзможни. Но за някои задачи, можем да започнем да отговаряме. Така че, ще започна да задавам тези въпроси за ДНК структурите, за които ще говоря сега. И така, това е нормално ДНК, това което мислите за нормално ДНК. То е двойно-нагънато, това е двойна спирала, има А-та, Т-та, Ц-та и Г-та, които се свързват по двойки, за да задържат нишките заедно. Понякога ще го рисувам по този начин, просто за да не ви плаша. Искаме да разгледаме отделните нишки и да не мислим за двойната спирала. Когато го синтезираме, то е единична нишка, така че можем да вземем синята нишка в една тръба, да направим оранжева нишка в другата тръба, и когато са единични, те са отпуснати. Смесвате ги и тогава образуват една здрава двойна спирала. През последните 25 години Нед Сийман и няколко от неговите последователи, работиха много усилено и направиха красиви триизмерни структури, използвайки този вид реакция на ДНК нишки, които се обединяват. Но много от техните подходи, макар и елегантни, отнемат много време. Могат да отнемат няколко години, или да бъдат трудни за проектиране.

Така че аз измислих един нов метод преди няколко години, който нарекох ДНК оригами, което е толкова лесно, че можете да го направите у дома в кухнята, и да проектирате нещата на лаптоп. Но за да го направите ви трябва дълга нишка от ДНК, която е технически много трудно да се получи. Можете да я потърсите в естествен източник. Можете да погледнете този компютърно генериран артефакт, но той има двойно-нишков геном, който не върши работа. Гледате в неговата вътрешност. Има милиарди бактерии. Те също не вършат работа. Отново двойна нишка, но вътре в тях, те са заразени с вирус, който има хубав, дълъг, еднонишков геном, който можем да прегънем като лист хартия, и ето как го правим.

Това е част от този геном. Добавяме част от кратки синтетични ДНК нишки, които наричам скоби. Всяка има лява половина, която свързва дългата нишка на едно място, и дясна половина, която я свързва на друго място и сближава дългата нишка ето така. Нетното въздействие на много такива къси нишки върху дългата нишка е да я нагънат в нещо като правоъгълник.

Сега, ние не можем в действителност да заснемем филм на този процес, но Шон Дъглас от Харвард направи хубава визуализация за нас, която започва с дълга нишка и има няколко кратки нишки. И това, което се случва е, че ние смесваме тези нишки. Нагряваме ги, добавяме малко сол, нагряваме ги почти до точката на кипене и ги охлаждаме, и докато ги охлаждаме кратките нишки се свързват с дългите и започват да формират структура, и можете да видите малка част от двойна спирала, която се формира там. Когато се вгледате в ДНК оригами, можете да видите, че всъщност, въпреки че си мислите, че е сложно, това са просто купчина двойни спирали, които са паралелни една на друга и са сглобени на местата, където кратки нишки вървят по продължение на една спирала и след това скачат към друга. Така има една нишка, която върви по този начин, върви по продължение на една спирала и се свързва с -- скача до друга спирала и се връща, която държи дългата нишка по този начин.

Сега, за да покажем, че можем да направим всяка форма или модел, която искаме, аз се опитах да направя тази форма. Исках да нагъна ДНК в нещо, което отива нагоре над очите, надолу до носа, нагоре от носа, около челото, обратно надолу и завършва в една малка примка ето така. И така, мислех си, че ако това може да проработи, всичко може да проработи. Така че накарах компютърната програма да проектира кратките скоби, които да направят това. Поръчах ги, те дойдоха по FedEx. Смесих ги, нагрях ги, охладих ги, и получих 50 милиарда малки усмихнати личица, плаващи в една капка вода. И всяко от тях е само една хилядна част от широчината на човешки косъм, разбирате ли?

Така че всички те плават в този разтвор, и за да ги разгледате, трябва да ги поставите на повърхност, където да залепнат. Така че ги изливаме върху повърхност и те започват да полепват по тази повърхност, и ги снимаме чрез атомно-силов микроскоп. Той има игла, като звукозаписна игла, която се движи напред-назад върху повърхността, блъска се нагоре и надолу и чувства височината на първата повърхност. Чувства ДНК оригамито. Ето го атомно-силовия микроскоп в действие, и можете да видите, че повърхността е малко груба. Когато увеличавате, се вижда, че имат, нали се сещате, слаби челюсти, които се сгъват върху главите им и някои от носовете са перфорирани, но изглеждат доста добре. Можете да увеличите и дори да видите допълнителната примчица тази малка нано-козя брадичка.

Сега, това, което е страхотно е, че всеки може да направи това. И така, година по-късно неочаквано получих по пощата ето това. Някой знае ли какво е това? Какво е това? Това е Китай, нали? И така, една студентка в Китай, Лулу Чиан, е свършила страхотна работа. Написала е изцяло свой собствен софтуер за проектирането и изграждането на това ДНК оригами, красиво изображение на Китай, което има дори и Тайван, и можете да видите, че това е нещо като най-кратката каишка в света, нали? (Смях) Така че, това работи наистина добре и можете да правите модели, както и форми, нали? И можете да направите картата на Америка и да напишете "ДНК" с ДНК.

И това, което е наистина готино -- ами, всъщност всичко това изглежда като нано-произведение на изкуството, но се оказва, че нано-произведението на изкуството е точно това, което ви трябва за да направите нано-схеми. Можете да поставите елементите на една електрическа верига на скобите, като електрическа крушка и ключ за лампа. Оставете нещата да се подредят и ще получите някаква затворена верига. И после може би може да измиете ДНК материала и да ви остане само веригата. Точнто това направиха колеги от Калифорнийския технологичен институт. Взеха ДНК оригами, организираха няколко въглеродни нано-тръби, направиха малък превключвател, който виждате тук, свързаха го, изпитаха го и показаха, че това е наистина един прекъсвач. Сега, това е само един прекъсвач за един компютър ви трябват половин милиард такива, така че има още какво да се направи. Но това е много обещаващо, тъй като оригамито може да организира части само с една десета от размера на тези в един нормален компютър. Така че това е много обещаващо за направата на малки компютри.

Сега, искам да се върна към този компилатор. ДНК оригамито е доказателство, че компилаторът действително работи. Така че, започвате с нещо в компютъра. Имате описание на най-високо равнище на компютърната програма, описание на най-високо равнище на оригамито. Можете да го компилирате до молекулно ниво, да го изпратите към синтезатор и това наистина работи. И се оказва, че една компания е направила хубава програма, която е много по-добра от моя код, който беше малко грозен, и тя ще ни позволи да правим това по хубав, визуален, проектиран от компютър начин.

Така че, сега може да се питате, добре, защо не е ДНК оригамито краят на историята? Имате си молекулярен компилатор, можете да правите каквото си искате. Факт е, че той не е мащабируем. Така че, ако искате да изградите човек от ДНК оригами, проблемът е, че имате нужда от дълга нишка, която е 10 трилиона трилиона бази дълга. Това са три светлинни години ДНК, така че ние няма да направим това. Ще се обърнем към друга технология, наречена алгоритмично самостоятелно сглобяване на плочки. Беше създадена от Ерик Уинфрии, и това, което прави е, че има плочки, които са една стотна от големината на ДНК оригами. Ако увеличите, има само четири ДНК нишки, и те имат малки еднонишкови парченца на тях, които могат да се свържат с други плочки, ако те съвпаднат. И ние обичаме да чертаем тези плочки като малки квадратчета. И ако се вгледате в техните прилепващи краища, тези малки парчета ДНК, можете да видите, че те всъщност образуват модел като шахматна дъска. Така че, тези плочки ще направят сложна, самостоятелно сглобена шахматна дъска. И целта на това е, ако не разбрахте, че плочите са нещо като молекулярна програма, и те могат да образуват модели. И най-невероятното е, че всяка компютърна програма може да бъде преведена в една от тези плочки-програми -- по-специално, броенето. Така че, можете да измислите набор от плочки, така че когато се съберат, образуват малък двоичен брояч, вместо шахматна дъска. Така че можете да четете двоичните числа пет, шест и седем.

И за да започнете този вид изчисления правилно, ви трябва някакъв вид вход, някакъв вид семена. Можете да използвате ДНК оригами за това. Може да кодирате числото 32 в дясната страна на ДНК оригами и когато добавите тези плочки, които се броят, те ще започнат да броят, ще прочетат това 32 и ще спрат на 32. Така че, това което направихме беше да измислим начин молекулярната програма да знае кога да спре да расте. Тя знае кога да спре да расте, понеже може да брои. Тя знае колко е голяма. Така че това отговоря в известна степен на първия въпрос, по който говорих. Не ни казва, обаче, как го правят бебетата.

Така че сега можем да използваме това броене и да се опитаме да получим по-големи неща, отколкото ДНК оригами може да получи иначе. Ето едно ДНК оригами и това, което можем да направим е да напишем 32 в двата му края и сега можем да използваме нашата лейка и да напояваме с плочки, и можем да започнем да отглеждаме плочки от това и да създадем един квадрат. Броячът служи като шаблон, за да запълним квадрат в центъра на това нещо. Така че това, което направихме е, че ние успяхме да направим нещо много по-голямо от ДНК оригами, съчетавайки ДНК оригами с плочки. И хубавото е, че то също е препрограмируемо. Можете да промените няколко ДНК нишки в това двоично представяне и ще получите 96 вместо 32. И ако го направите, оригамито ще бъде със същия размер, но полученият квадрат ще е три пъти по-голям.

Така че това обобщава, това, което ви казвах за развитието. Имате много чувствителна компютърна програма, където малките промени -- единични, мънички, малки мутации -- могат да вземат нещо, което образува квадрат в един мащаб, и да направят нещо много по-голямо. Сега, това използване на броене за да се изчисляват и изграждат такива неща чрез този вид процес на развитие е нещо, което също има отношение към въпроса на Крейг Вентър. Така че можете да попитате, колко ДНК нишки са необходими за изграждане на квадрат с определен размер? Ако искахме да направим квадрат с големина 10, 100 или 1000, ако използваме само ДНК оригами, ще ни трябват толкова на брой ДНК нишки, колкото е квадрата на големината на този квадрат, така че ще ни трябват 100, 10 000 или един милион ДНК нишки. Това наистина не е достъпно. Но ако използваме малко изчисление -- използваме оригами, плюс някои плочки, които се броят -- тогава можем да се разминем с използване на 100, 200 или 300 ДНК нишки. И така можем експоненциално да намалим броя на ДНК нишките, които използваме, ако използваме броене, ако използвме малко изчисление. И така изчисляването е един много мощен начин за намаляване на броя на молекулите, от които се нуждаете за да изградите нещо, за намаляване размера на генома, който правите.

И накрая, ще се върна отново към тази един вид луда идея, за компютрите, изграждащи компютри. Ако погледнете квадрата, който изграждате с оригамито и някои броячи растящи от него, модела, по който е образуван е точно като модела, който ви трябва за да направите памет. Така че, ако поставите няколко жички и ключове към тези плочки, вместо към скобите на нишките, вие ги поставяте към плочките, след това те се сглобяват самостоятелно в малко сложни схеми -- де-мултиплексор схемите, от които се нуждаете за адресиране на тази памет. Така че всъщност можете да направите сложна схема, с помощта на малко изчисляване. Това е молекулярен компютър, който изгражда електронен компютър. Сега, вие ме питате, колко сме напреднали в тази посока? Експериментално това е, което сме направили през последната година. Това е правоъгълно ДНК оригами, а ето и някои плочки, растящи от него. И можете да видите как те броят. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 17 Е, има някои грешки, но поне може да брои. (Смях)

Оказва се, че всъщност тази идея ни е дошла преди девет години и това е приблизително времевата константа, за това колко време е необходимо да се направят неща от този род, така че аз мисля, че сме напреднали доста. Имаме идеи как да коригираме тези грешки. И мисля, че през следващите пет или десет години, ще направим вида квадрати, които описах а може би дори ще стигнем до някои от тези самостоятелно сглобени схеми.

Така че сега, какво искам да запомните от този разговор? Искам да запомните, че за да създаде многото разнообразни и сложни жизнени форми, животът използва изчисления. И изчисленията, които използва, са молекулярни изчисления, и за да се разбере това и за да се управлява по-добре, както Файнман казва, знаете ли, трябва да изградим нещо, за да го разберем. И така ние ще използваме молекули и ще ремоделираме това нещо, ще построим отново всичко от основи, използвайки ДНК по начини, които природата никога не е планирала, използвайки ДНК оригами, и ДНК оригами за да засеем това алгоритмично самостоятелно сглобяване.

Така че всичко това е много готино, но това, което бих искал да запомните от този разговор, надявам се от някои от тези големи въпроси, е, че това молекулярно програмиране не е само за правене на джаджи. Не е само за правене на -- правене на самостоятелно сглобяващи се мобилни телефони и схеми. Това, за което наистина става дума е да вземем компютърната наука и да се преразгледаме големите въпроси в нова светлина, да си зададем нови варианти на тези големи въпроси, и да се опитаме да разберем как биологията може да прави такива невероятни неща. Благодаря. (Ръкопляскания)