Ο Craig Venter στα πρόθυρα δημιουργίας συνθετικής ζωής

Ξέρετε, έχω μιλήσει για μερικές από αυτές τις εργασίες παλαιότερα, για το ανθρώπινο γονιδίωμα και τι αυτό μπορεί να σημαίνει, και για την ανακάλυψη νέων γονιδίων. Ξεκινάμε από ένα νέο σημείο: ψηφιοποιούμε την βιολογία, και σήμερα προσπαθούμε να πάμε από αυτόν τον ψηφιακό κώδικα σε μια νέα περίοδο για την βιολογία, σχεδιάζοντας και συνθέτοντας ζωή.

Λοιπόν, πάντα προσπαθούσαμε να θέσουμε μεγάλες ερωτήσεις. "Τι είναι ζωή;" νομίζω όλοι οι βιολόγοι προσπαθούν να καταλάβουν σε διάφορα επίπεδα. Έχουμε προσπαθήσει διάφορες προσεγγίσεις, να την τεμαχίσουμε στα στοιχειώδη συστατικά. Την ψηφιοποιούμε τώρα, εδώ και περίπου 20 χρόνια. Όταν προσδιορίσαμε την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος, πήγαμε από τον αναλογικό κόσμο της βιολογίας στον ψηφιακό κόσμο των υπολογιστών. Τώρα προσπαθούμε να ρωτήσουμε, μπορούμε να αναπαράγουμε τη ζωή, ή μπορούμε να δημιουργήσουμε ζωή, από το ψηφιακό μας σύμπαν;

Αυτός είναι ο χάρτης ενός μικρού οργανισμού, του Mycoplasma genitalium, που έχει το μικρότερο γονιδίωμα για ένα είδος που μπορεί να αυτο-αναπαραχθεί στο εργαστήριο. Και προσπαθούμε να δούμε αν μπορούμε να καταλήξουμε σε ένα ακόμα μικρότερο γονιδίωμα. Είμαστε ικανοί να αφαιρέσουμε έναν αριθμό εκατό γονιδίων από τα 500 περίπου που είναι εδώ. Αλλά όταν κοιτάμε τον μεταβολικό του χάρτη, είναι σχετικά απλός σε σύγκριση με τον δικό μας. Πιστέψτε με, αυτό είναι απλό. Αλλά όταν κοιτάμε όλα τα γονίδια που μπορούμε να αφαιρέσουμε κάθε φορά είναι πολύ απίθανο ότι αυτό θα παράξει ένα ζωντανό κύτταρο. Έτσι, αποφασίσαμε ότι ο μόνος δρόμος προς τα εμπρός ήταν να συνθέσουμε αυτό το χρωμόσωμα ώστε να μεταβάλλουμε τα συστατικά για να θέσουμε μερικά από αυτά τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα. Και έτσι ξεκινήσαμε το δρόμο του, "Μπορούμε να συνθέσουμε ένα χρωμόσωμα;" Επιτρέπει η χημεία να φτιάξουμε αυτά τα πραγματικά μεγάλα μόρια για πρώτη φορά; Και, αν το κάνουμε, μπορούμε να ενεργοποιήσουμε το χρωμόσωμα? Ένα χρωμόσωμα, παρεμπιπτόντως, είναι απλά ένα κομμάτι από αδρανή χημικά στοιχεία. Λοιπόν, ο βηματισμός μας για την ψηφιοποίηση της ζωής συνεχώς αυξάνεται με έναν εκθετικό ρυθμό.

Η ικανότητά μας να γράφουμε γενετικό κώδικα προχωράει σχετικά αργά, όμως σημειώνει πρόοδο. Και η τελευταία κουκκίδα μας θα την βάλει τώρα σε εκθετική τροχιά. Το ξεκινήσαμε αυτό πριν 15 χρόνια. Πήρε αρκετά στάδια, είναι αλήθεια, ξεκινώντας με μια βιοηθική ανασκόπηση πριν ξεκινήσουμε τα πρώτα μας πειράματα. Αλλά φαίνεται πως το να συνθέσεις DNA είναι πολύ δύσκολο. Υπάρχουν δεκάδες χιλιάδες μηχανήματα στον κόσμο που δημιουργούν μικρά κομμάτια DNA, 30 με 50 γράμματα μήκος, και είναι μια εκφυλιστική διαδικασία, όσο μεγαλύτερο κάνεις το κομμάτι, τόσο περισσότερα λάθη γίνονται. Γι' αυτό έπρεπε να δημιουργήσουμε μια νέα μέθοδο για να ενώσουμε τα μικρά κομμάτια και να διορθώσουμε τα λάθη.

Και αυτή ήταν η πρώτη μας προσπάθεια, ξεκινώντας με την ψηφιακή πληροφορία του γονιδιώματος του Phi X 174. Είναι ένας μικρός ιός που σκοτώνει βακτήρια. Σχεδιάσαμε τα κομμάτια, τα διορθώσαμε, και είχαμε ένα μόριο DNA με περίπου 5000 γράμματα. Το εντυπωσιακό ήταν όταν πήραμε αυτό το κομμάτι αδρανούς χημικής (ουσίας) και το βάλαμε στα βακτήρια, και τα βακτήρια άρχισαν να διαβάζουν το γενετικό κώδικα, έφτιαξαν τα ιϊκά σωματίδια. Τα ιϊκά σωματίδια τότε απελευθερώθηκαν από τα κύτταρα, μετά επέστρεψαν και σκότωσαν την E. coli. Μιλούσα στην πετρελαιοβιομηχανία πρόσφατα, και είπαν πως κατανοούν ξεκάθαρα αυτό το μοντέλο.

(Γέλια)

Αυτοί γέλασαν περισσότερο από εσάς.

Και πιστεύουμε αυτή είναι μια κατάσταση όπου το λογισμικό μπορεί στην πραγματικότητα να χτίσει τον εξοπλισμό σε ένα βιολογικό σύστημα. Αλλά θέλαμε να πάμε πολύ πιο μακριά. Θέλαμε να χτίσουμε ολόκληρο το βακτηριακό χρωμόσωμα. Είναι περισσότερα από 580.000 γράμματα γενετικού κώδικα. Έτσι σκεφτήκαμε να το χτίσουμε σε κασέτες, στο μέγεθος των ιών, ώστε να μπορούμε να μεταβάλλουμε τις κασέτες για να καταλάβουμε ποιά είναι τα ζωτικά χαρακτηριστικά ενός ζωντανού κυττάρου. Ο σχεδιασμός είναι κρίσιμος, και όταν ξεκινάς με ψηφιακή πληροφορία στον υπολογιστή, αυτή η ψηφιακή πληροφορία πρέπει να είναι πραγματικά ακριβής. Όταν πρωτο-προσδιορίσαμε την αλληλουχία αυτού του γονιδιώματος το 1995, η ακρίβειά μας ήταν ένα λάθος ανά 10.000 ζεύγη βάσεων. Κατά τον επαναπροσδιορισμό της αλληλουχίας βρήκαμε 30 λάθη. Αν είχαμε χρησιμοποιήσει αυτήν την αρχική αλληλουχία, ποτέ δε θα μπορούσε να ενεργοποιηθεί. Κομμάτι του σχεδιασμού είναι να σχεδιάζουμε κομμάτια μήκους 50 γραμμάτων που πρέπει να αλληλοεπικαλύπτονται με όλα τα άλλα κομμάτια 50 γραμμάτων για να σχηματίσουν μικρότερες υποομάδες πρέπει να τα σχεδιάσουμε ώστε να πηγαίνουν μαζί. Σχεδιάσαμε μοναδικά στοιχεία εκεί μέσα.

Μπορεί να ακούσατε ότι βάλαμε ένα υδατογράφημα. Σκεφτείτε: Έχουμε έναν γενετικό κώδικα τεσσάρων γραμμάτων: A, C, G και T. Τριπλέτες αυτών των γραμμάτων -- κωδικοποιούν περίπου 20 αμινοξέα -- ώστε να δημιουργείται ένα ξεχωριστό γράμμα για κάθε αμινοξύ. Επομένως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον γενετικό κώδικα για να γράψουμε λέξεις, προτάσεις, σκέψεις. Αρχικά, αυτό που κάναμε ήταν να βάλουμε το αυτόγραφό μας. μερικοί απογοητεύτηκαν που δεν βάλαμε ποίηση. Σχεδιάσαμε αυτά τα κομμάτια έτσι ώστε να τα ενώνουμε με ένζυμα. Αυτά τα ένζυμα τα επιδιορθώνουν και τα συναρμολογούν. Και ξεκινήσαμε να φτιάχνουμε κομμάτια, ξεκινώντας με κομμάτια πέντε με 7.000 γραμμάτων, τα ενώσαμε για να σχηματίσουμε κομμάτια 24.000 γραμμάτων μετά ενώσαμε ζεύγη από αυτά, φτάνοντας τα 72.000 (γράμματα).

Σε κάθε στάδιο, δημιουργούσαμε άφθονα κομμάτια ώστε να βρίσκουμε την αλληλουχία τους επειδή προσπαθούμε να δημιουργήσουμε μια διαδικασία εξαιρετικά ισχυρή -- θα τη δείτε σε ένα λεπτό. Προσπαθούμε να φτάσουμε σε σημείο αυτοματισμού. Λοιπόν, αυτό μοιάζει με τα πλέι οφ του μπάσκετ. Όταν φτάνουμε σε αυτά τα πραγματικά μεγάλα κομμάτια -- πάνω από 100,000 ζεύγη βάσεων -- σταματούν να αυξάνονται εύκολα στην E. coli. Εξαντλούνται όλα τα σύγχρονα εργαλεία της μοριακής βιολογίας. Και έτσι στραφήκαμε σε άλλους μηχανισμούς. Γνωρίζουμε έναν μηχανισμό που λέγεται ομόλογος ανασυνδυασμός, που η βιολογία χρησιμοποιεί για την επιδιόρθωση του DNA, ο οποίος ενώνει κομμάτια μεταξύ τους. Εδώ είναι ένα παράδειγμα. Υπάρχει ένας οργανισμός που ονομάζεται Deinococcus radiodurans που μπορεί να δεχτεί τρία εκατομμύρια ακτίνια ακτινοβολίας.

Βλέπετε στο πάνω μέρος, ότι το χρωμόσωμά του απλά διαλύεται. 12 με 24 ώρες μετά το συναρμολογεί ξανά, ακριβώς όπως ήταν πριν. Έχουμε εκατοντάδες οργανισμούς που μπορούν να το κάνουν αυτό. Αυτοί οι οργανισμοί μπορούν κυριολεκτικά να αποξηρανθούν. Μπορούν να ζουν στο κενό. Είμαι απολύτως βέβαιος ότι μπορεί να υπάρξει ζωή στο διάστημα, να περιφέρεται, να βρει ένα νέο υδάτινο περιβάλλον. Στην πραγματικότητα, η NASA έχει δείξει ότι πολλά από αυτά είναι εκεί έξω.

Εδώ είναι η μικροσκόπηση του μορίου που χτίσαμε χρησιμοποιώντας αυτές τις διαδικασίες -- μάλλον χρησιμοποιώντας μόνο τους μηχανισμούς της μαγιάς αφού σχεδιάσουμε σωστά τα κομμάτια, τα βάζουμε μέσα. Η μαγιά τα συναρμολογεί αυτόματα. Αυτό δεν είναι ηλεκτρονικό μικροσκόπιο· είναι ένα συνηθισμένο φωτομικροσκόπιο. Είναι τόσο μεγάλο το μόριο που το βλέπουμε με οπτικό μικροσκόπιο. Αυτές είναι εικόνες σε μια περίοδο έξι δευτερολέπτων.

Αυτή είναι η δημοσίευση που κάναμε πριν λίγο καιρό. Πρόκειται για γενετικό κώδικα άνω των 580.000 γραμμάτων. Είναι το μεγαλύτερο μόριο που φτιάχτηκε ποτέ από άνθρωπο με καθορισμένη δομή. Έχει πάνω από 300 χιλιάδες μοριακό βάρος. Εάν το τυπώναμε με γραμματοσειρά 10 και χωρίς κενά, θα χρειάζονταν 142 σελίδες μόνο για να εκτυπώσουν αυτόν τον γενετικό κώδικα. Λοιπόν, πώς ξεκινάμε ένα χρωμόσωμα; Πώς το ενεργοποιούμε; Προφανώς, με έναν ιό είναι σχετικά απλό. Είναι πολύ πιο περίπλοκο όταν έχεις να κάνεις με βακτήρια. Επίσης είναι πιο απλό σε ευκαρυώτες όπως εμείς: απλά βγάζεις τον πυρήνα και βάζεις κάποιον άλλο, πρόκειται περί κλωνοποίησης όπως όλοι έχετε ακούσει. Στα αρχαία βακτήρια, το χρωμόσωμα είναι εξ ολοκλήρου μέσα στο κύτταρο, πρόσφατα όμως δείξαμε ότι μπορούμε να κάνουμε ολική μεταμόσχευση ενός χρωμοσώματος από κύτταρο σε κύτταρο και να το ενεργοποιήσουμε. Καθαρίσαμε το χρωμόσωμα από ένα συγκεκριμένο μικροβιακό είδος. Πάνω κάτω, αυτά τα δύο απέχουν όσο ο άνθρωπος με το ποντίκι. Προσθέσαμε μερικά έξτρα γονίδια ώστε να μπορούμε να εντοπίσουμε αυτό το χρωμόσωμα. Το πέψαμε με ένζυμα για να εξαλειφθούν όλες οι πρωτεΐνες. Και ήταν εντυπωσιακό όταν το βάλαμε στο κύτταρο -- και θα εκτιμήσετε το σοφιστικέ γράφημά μας εδώ -- το νέο χρωμόσωμα μπήκε μέσα στο κύτταρο. πιστέψαμε ότι φτάσαμε όσο δεν πάει άλλο, αλλά θελήσαμε να εξελίξουμε τη διαδικασία λίγο ακόμα.

Αυτός εδώ είναι ένας από τους κύριους μηχανισμούς εξέλιξης. Σχεδόν όλα τα είδη έχουν δεχτεί ένα δεύτερο χρωμόσωμα ή ένα τρίτο από κάπου, προσθέτοντας εκατοντάδες χαρακτηριστικά στο είδος σε δευτερόλεπτα. Έτσι όσοι νομίζουν ότι εξέλιξη είναι η αλλαγή ενός γονιδίου κάθε φορά έχουν χάσει πολλά από τη βιολογία.

Αυτά τα ένζυμα ονομάζονται περιοριστικά ένζυμα και πραγματικά πέπτουν το DNA. Το χρωμόσωμα που υπήρχε στο κύτταρο δεν είχε κάποιο. Το χρωμόσωμα που βάλαμε είχε. (Το ένζυμο) εκφράστηκε, και αναγνώρισε το άλλο χρωμόσωμα ως ξένο, το τεμάχισε, και καταλήξαμε σε ένα κύτταρο με μόνο το νέο χρωμόσωμα. Έγινε μπλε εξαιτίας των γονιδίων που βάλαμε μέσα. Και μέσα σε ένα σύντομο χρονικό διάστημα, όλα τα χαρακτηριστικά του είδους χάθηκαν, και μετατράπηκε σε ένα εντελώς νέο είδος, βασισμένο στο νέο λογισμικό που βάλαμε στο κύτταρο. Όλες οι πρωτεΐνες άλλαξαν, η μεμβράνη άλλαξε -- όταν διαβάσαμε τον γενετικό κώδικα, ήταν ακριβώς αυτός που είχαμε μεταφέρει.

Λοιπόν, αυτό μπορεί να μοιάζει με γενωμική αλχημεία, όμως μπορούμε, μετακινώντας DNA λογισμικό, να αλλάξουμε δραματικά τα πράγματα. Τώρα, επιμένω πως δεν πρόκειται για Γένεση -- πρόκειται για χτίσιμο πάνω σε τρεισήμισι δισεκατομμύρια έτη εξέλιξης, και πιστεύω ότι είμαστε κοντά στη δημιουργία μιας νέου είδους Κάμβριας έκρηξης όπου θα έχουμε μια μαζική δημιουργία νέων ειδών βασισμένη στο ψηφιακό σχεδιασμό.

Γιατί να το κάνουμε αυτό; Πιστεύω είναι προφανές κρίνοντας από τις ανάγκες μας. Είμαστε κοντά στο να πάμε από εξήμισι σε 9 δις πληθυσμό τα επόμενα 40 χρόνια. Από τη δική μου μεριά: Γεννήθηκα το 1946. Σήμερα υπάρχουν τρεις άνθρωποι στον πλανήτη για κάθε έναν από εμάς το 1946· σε 40 χρόνια, θα γίνουν τέσσερις. Έχουμε πρόβλημα να θρέψουμε, να παρέχουμε καθαρό νερό, φάρμακα, καύσιμα για τα εξήμισι δις. Πόσο μάλλον για τα εννιά. Χρησιμοποιούμε πάνω από 5 δις τόνους άνθρακα, 30+ δις βαρέλια πετρελαίου. αυτό είναι εκατό χιλιάδες βαρέλια την ημέρα. Όταν προσπαθούμε να σκεφτούμε μια βιολογική διαδικασία ή οποιαδήποτε διαδικασία για να την αντικαταστήσει, θα είναι μια μεγάλη πρόκληση. Μετά είναι και όλο το CO2 από αυτό το υλικό που καταλήγει στην ατμόσφαιρα.

Σήμερα, από τις ανακαλύψεις στον κόσμο γύρω μας, έχουμε μια βάση δεδομένων από 20 χιλιάδες γονίδια, και θέλω να τα βλέπω ως τα συστατικά για το σχεδιασμό του μέλλοντος. Η βιομηχανία ηλεκτρονικών είχε μόνο μια ντουζίνα συστατικά, και δείτε την ποικιλία που δημιουργήθηκε από αυτά. Εμείς εδώ περιοριζόμαστε από τη βιολογική πραγματικότητα και τη φαντασία μας. Σήμερα έχουμε τεχνικές, εξαιτίας αυτών των ταχέως αναπτυσσόμενων μεθόδων σύνθεσης, να κάνουμε αυτό που καλείται συνθετική γενωμική. Έχουμε τη δυνατότητα να χτίσουμε ένα μεγάλο ρομπότ που θα φτιάχνει χίλια χρωμοσώματα την ημέρα. Όταν σκέφτεστε την επεξεργασία αυτών των 20 χιλιάδων διαφορετικών γονιδίων, ή τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας για την παραγωγή οκτανίων ή φαρμάκων, νέων εμβολίων, μπορούμε να αλλάξουμε, μόνο με μια μικρή ομάδα, να εφαρμόσουμε περισσότερη μοριακή βιολογία απ' ότι τα τελευταία 20 έτη όλης της επιστήμης. Και είναι απλώς τυπική επιλογή. Μπορούμε να επιλέξουμε για βιωσιμότητα, χημικά ή παραγωγή καυσίμων, παραγωγή εμβολίων κτλ.

Αυτό είναι ένα στιγμιότυπο από ένα λογισμικό σχεδιασμού το οποίο αναπτύσσουμε ώστε να μπορούμε να καθόμαστε και να σχεδιάζουμε είδη στον υπολογιστή. Ξέρετε, δεν γνωρίζουμε ακριβώς πώς θα φαίνονται. Ξέρουμε όμως ακριβώς πώς θα φαίνεται ο γενετικός τους κώδικας. Επικεντρωνόμαστε τώρα σε τέταρτης γενιάς καύσιμα. Είδατε πρόσφατα ότι η μετατροπή του καλαμποκιού σε αιθανόλη ήταν απλά ένας κακός πειραματισμός. Έχουμε δεύτερης και τρίτης γενιάς καύσιμα που θα βγουν στην αγορά πολύ σύντομα. πρόκειται για μετατροπή ζάχαρης σε υψηλότερης ποιότητας καύσιμα όπως οκτάνιο ή διάφορα είδη βουτανόλης.

Όμως ο μόνος δρόμος που πιστεύουμε ότι η βιολογία μπορεί να έχει έναν μείζονα αντίκτυπο, χωρίς να αυξήσει περαιτέρω το κόστος του τροφίμου και να μειώσει τη διαθεσιμότητά του είναι αν ξεκινήσουμε με πρώτη ύλη το CO2. και έτσι δουλεύουμε στον σχεδιασμό κυττάρων προς αυτή την κατεύθυνση, και πιστεύουμε ότι θα έχουμε τα πρώτα τέταρτης γενιάς καύσιμα σε περίπου 18 μήνες. Ηλιοφάνεια και CO2 είναι μία μέθοδος -- (Χειροκρότημα) -- όμως κατά την ανακάλυψη του κόσμου γύρω μας, έχουμε πολλές περισσότερες μεθόδους.

Αυτός είναι ένας οργανισμός που περιγράψαμε το 1996. Ζει στον βαθύ ωκεανό, σε περίπου ενάμιση μίλι βάθος, σε σχεδόν θερμοκρασία βρασμού. Μετατρέπει το CO2 σε μεθάνιο χρησιμοποιώντας μοριακό υδρογόνο ως πηγή ενέργειας. Προσπαθούμε να δούμε αν μπορούμε να δεσμεύσουμε το CO2, που μπορεί εύκολα να μεταφερθεί σε περιοχές, όπου θα μετατραπεί ξανά σε καύσιμο, για να προωθήσει αυτήν τη διαδικασία.

Έτσι σε σύντομο χρονικό διάστημα, πιστεύουμε θα εμβαθύνουμε στο βασικό ερώτημα του "Τι είναι ζωή;" Πραγματικά, ξέρετε -- έχουμε μέτριους στόχους την αντικατάσταση ολόκληρης της πετρελαιο-χημικής βιομηχανίας.

(Γέλια) (Χειροκρότημα)

Ναι. Αν δεν μπορείς να το κάνεις αυτό στο TED, πού μπορείς;

(Γέλια)

Να γίνουμε μια μείζων πηγή ενέργειας. Επίσης, δουλεύουμε, ώστε χρησιμοποιώντας τα ίδια εργαλεία να δημιουργούμε άμεσα εμβόλια. Είδατε φέτος με τη γρίπη, είμαστε πάντα καθυστερημένοι και ανεπαρκώς προετοιμασμένοι όσον αφορά το σωστό εμβόλιο. Νομίζω αυτό μπορεί να αλλάξει φτιάχνοντας συνδυαστικά εμβόλια εκ των προτέρων. Κάπως έτσι θα φαίνεται το μέλλον αλλάζοντας το εξελικτικό δέντρο, επιταχύνοντας την εξέλιξη με συνθετικά βακτήρια, αρχαία, και τελικά ευκαρυώτες. Είμαστε πολύ μακριά από το να βελτιώσουμε τους ανθρώπους. Στόχος μας είναι να σιγουρέψουμε ότι θα έχουμε την ευκαιρία επιβιώνοντας αρκετά, ίσως να το κάνουμε. Σας ευχαριστώ πολύ.

(Χειροκρότημα)