Craig Venter luo pian keinotekoista elämää

Olen puhunut näistä hankkeista aiemminkin, ihmisen genomista ja sen merkityksestä, ja uusien geeniryhmien löytämisestä. Olemme aloittamassa uudesta lähtökohdasta, olemme digitalisoineet biologian, ja nyt yritämme siirtyä tästä digitaalisesta koodista uuteen vaiheeseen biologiassa suunnittelemalla ja syntetisoimalla elämää.

Olemme aina yrittäneet kysyä suuria kysymyksiä. "Mitä on elämä?" on kysymys, jota arvelen monen biologin pohtineen eri tasoilla. Olemme kokeilleet eri lähestymistapoja, ja purkaneet kysymyksen osatekijöihinsä. Olemme digitoineet elämää melkein 20 vuoden ajan. Kun sekvensoimme ihmisen perimän, siirryimme biologian analogisesta maailmasta tietokoneiden digitaaliseen maailmaan. Nyt kysymme, pystymmekö jäljittelemään elämän käynnistymistä tai luomaan uusia elämänmuotoja, lähtien tästä digitaalisesta maailmasta.

Tässä on pienen organismin geenikartta, kyseessä on Mycoplasma genitalium, jolla on pienin genomi kaikista niistä lajeista, jotka pystyvät lisääntymään laboratorio-oloissa. Olemme kokeilleet pystyisimmekö saamaan aikaan vielä pienemmän genomin. Pystymme sammuttamaan noin sata kartan noin 500 geenistä. Mutta kaavio sen aineenvaihdunnasta, se on melko yksinkertainen verrattuna omaamme. Uskokaa pois, tämä on yksinkertainen. Kun tarkastelemme niitä geenejä, jotka pystymme sammuttamaan yksitellen, vaikuttaa epätodennäköiseltä, että siitä syntyisi elinkelpoinen solu. Päättelimme, että ainoa tapa päästä eteenpäin, on syntetisoida tämä kromosomi tyhjästä, jotta voisimme vapaasti muokata sen komponentteja ja pääsisimme perimmäisten kysymysten kimppuun. Aloimme edetä reittiä: "Pystymmekö syntetisoimaan kromosomin?" Salliiko kemia meidän rakentaa näitä todella suuria molekyylejä, jollaisia ei ole koskaan ennen tehty? Ja jos se onnistuu, pystymmekö käynnistämään kromosomin? Kromosomihan itsessään on vain elotonta kemiallista ainetta. Tahti, jolla olemme digitalisoineet elämää, on nopeutunut eksponentiaalisesti.

Kykymme kirjoittaa geneettistä koodia on parantunut melko hitaasti mutta on kuitenkin parantunut. Viimeisimmät saavutuksemme veisivät senkin eksponentiaaliselle käyrälle. Aloitimme työn yli 15 vuotta sitten. Etenimme vaiheittain, itse asiassa kaikki alkoi bioeettisellä katselmuksella ennen ensimmäistäkään koetta. Osoittautuu, että DNA:n syntetisointi on erittäin vaikeaa. Maailmassa on kymmeniä tuhansia laitteita, jotka pystyvät valmistamaan lyhyitä DNA-pätkiä, pituudeltaan 30-50 merkkiä, ja prosessi luo virheitä. Mitä pidemmän DNA-pätkän tekee, sitä enemmän siinä on virheitä. Meidän piti kehittää uusi menetelmä näiden pikkupätkien yhteen liittämiseksi ja virheiden korjaamiseksi.

Tässä on ensimmäinen yrityksemme, lähtökohtana Phi X 174:n perimä digitaalisessa muodossa. Se on pieni virus, joka tappaa bakteereita. Suunnittelimme palaset, suoritimme virheenkorjauksen ja saimme aikaan noin 5000 merkin pituisen DNA-molekyylin. Jännittävä hetki tuli kun sijoitimme tämän elottoman molekyylin bakteeriin, ja bakteeri alkoi lukea molekyylin geneettistä koodia ja tuottaa viruksia. Sitten virukset irtautuivat isäntäsoluista, ja siinä prosessissa kolibakteerit kuolivat. Pidin äskettäin puheen öljyteollisuudelle, ja he sanoivat tuntevansa toimintatavan oikein hyvin.

(Naurua)

Heitä nauratti vielä enemmän kuin teitä.

Nyt olemme tilanteessa, jossa ohjelmisto pystyy rakentamaan oman laitteistonsa biologisessa järjestelmässä. Mutta meidän tavoitteemme olivat suuremmat. Halusimme rakentaa kokonaisen bakteerin kromosomin. Sellaisessa on yli 580 000 merkin edestä geneettistä koodia. Ajattelimme rakentavamme koodin viruksen kokoisina kasetteina niin että voisimme vaihtaa kasetteja toisiin ymmärtääksemme, mitkä ovat oikean elävän solun osatekijät. Oikea suunnittelu on kriittisen tärkeä, ja jos lähtökohtana on tietokoneeseen digitaalisena talletettu informaatio, informaation on oltava tarkasti oikein. Kun sekvensoimme tämän genomin vuonna 1995, tavanomainen tarkkuus oli yksi virhe 10 000 emäsparia kohti. Kun sekvensoimme genomin uudelleen, löysimme 30 virhettä. Jos olisimme käyttäneet alkuperäistä sekvenssiä, kromosomi ei olisi pystynyt käynnistymään. Osa suunnittelu-urakkaa on pikkupalojen suunnittelu. Ne ovat kukin 50 merkin pituisia, ja niiden pitää osua päällekkäin muiden 50-merkkisten palojen kanssa isompien aliyksiköiden rakentamiseksi. Ne pitää suunnitella sopimaan yhteen. Olemme lisänneet ennennäkemättömiä osasia.

Olette ehkä lukeneet, että me liitämme mukaan vesileimoja. Ajatelkaapa tätä: geneettinen koodi sisältää neljä kirjainta: A, C, G ja T. Kolmikirjaimiset yhdistelmät niistä koodaavat noin 20 aminohappoa. Voimme ottaa yhden normaalikielen kirjaimen vastaamaan kutakin aminohappoa. Silloin voimme kirjoittaa sanoja geneettisellä koodilla, lauseita, ajatuksia. Aluksi vain signeerasimme työmme. Jotkut olivat pettyneitä, että mukana ei ollut runoutta. Suunnittelimme DNA-pätkät niin, että niihin voi pureutua tietyillä entsyymeillä. On olemassa entsyymejä, jotka korjaavat pätkiä ja liittävät niitä yhteen. Aluksi teimme koodinpätkiä, joiden pituus oli viidestä 7000:een merkkiin, yhdistelimme niistä 24 000 merkin palikoita, sitten liitimme niitä yhteen ja pääsimme 72 000 merkkiin.

Jokaisessa vaiheessa teimme yllin kyllin palikoita, jotta niitä riittää sekvensoitavaksi, koska yritämme luoda erittäin vikasietoisen prosessin kuten pian näette. Yritämme automatisoida eri vaiheet. Tämä muistuttaa koripalloliigan pudotuspelikaaviota. Kun pääsemme näihin hyvin suuriin palikoihin asti, niissä on yli 100 000 emäsparia. Niitä ei voi enää helposti kasvattaa kolibakteerissa. Modernin molekyylibiologian keinot loppuvat. Siispä keskityimme muihin menetelmiin. Tunsimme mekanismin nimeltä homologinen rekombinaatio, joka tapahtuu elävissä soluissa ja korjaa niiden DNA:ta, ja jota voisi käyttää palikoiden yhteenliittämiseen. Tässä esimerkki. On olemassa organismi nimeltä Deinococcus radiodurans, joka pystyy kestämään 30 000 grayn säteilyannoksen.

Kuten näette yläruudussa, sen kromosomi repeää riekaleiksi. 12 - 24 tuntia myöhemmin se on koonnut itsensä ennalleen. Tunnemme tuhansia organismeja, jotka pystyvät vastaavaan. Näistä organismeista voi poistaa kaiken veden. Ne pystyvät elämään tyhjössä. Olen täysin varma, että elämä selviää ulkoavaruuden oloissa, pystyy liikkumaan paikasta toiseen, löytämään uuden kostean ympäristön. Itse asiassa NASA on osoittanut monien näistä asioista todella tapahtuvan.

Tässä on aito mikroskooppikuva molekyylistä, jonka rakensimme käyttäen näitä menetelmiä -- oikeastaan vain hiivan mekanismeja ja sopivasti suunniteltuja palikoita. Hiivasolu liittää palikat toisiinsa automaattisesti. Tämä ei ole elektronimikroskoopin kuva vaan otettu tavallisella valomikroskoopilla. Molekyyli on niin iso, että se näkyy valomikroskoopissa. Nämä kuvat on otettu kuuden sekunnin aikana.

Tässä on tuore julkaisumme. Tässä on yli 580 000 merkkiä geneettistä koodia. Se on suurin ihmiskunnan koskaan kokoama rakenteeltaan hallittu molekyyli. Sen molekyylipaino on yli 300 miljoonaa. Jos koodi painettaisiin kirjaksi, 10 pisteen kirjaisintyypillä ilman välilyöntejä, se veisi 142 sivua. Entä kuinka käynnistämme kromosomin? Kuinka aktivoimme sen? Virus on tietenkin helppo tapaus. Bakteerien kanssa on paljon hankalampaa. Käynnistäminen on myös helpompaa aitotumaisissa soluissa kuten ihmissoluissamme: tuman voi yksinkertaisesti pullauttaa ulos solusta ja korvata toisella tumalla, ja kaikesta tästä olette kuulleet, kun puhutaan kloonaamisesta. Bakteerien ja arkkieliöiden tapauksessa kromosomi on integroituna soluun, mutta äskettäin osoitimme, että on mahdollista siirtää kokonainen kromosomi solusta toiseen ja aktivoida se. Eristimme yhden mikrobilajin kromosomin. Nämä kaksi ovat suunnilleen yhtä kaukana toisistaan kuin ihmiset ja hiiret. Lisäsimme pari ylimääräistä geeniä, jotta voimme valita oikean kromosomin. Sulatimme entsyymien avulla pois kaikki proteiinit. Oli tyrmäävä kokemus, kun laitoimme tämän solun sisään -- ja arvostatte varmaan hienostunutta grafiikkaamme -- uusi kromosomi siirtyi solun sisään. Arvelimme, että tämän pidemmälle emme pääse, mutta yritimme kuitenkin suunnitella prosessia hieman eteenpäin.

On kysymyksessä tärkeä evoluution mekanismi. Havaitsemme kaikenlaisia lajeja, jotka ovat poimineen toisen kromosomin tai kolmannen jostakin, mikä lisää tuhansia uusia lajiominaisuuksia yhdessä hetkessä kyseiseen elämänmuotoon. Niiltä, jotka arvelevat että evoluutiossa on kyse vain yhden geenin vaihtumisesta silloin tällöin, on mennyt ohi aika iso osa biologiaa.

On olemassa entsyymejä, joita kutsutaan restriktioentsyymeiksi, jotka paloittelevat DNA:ta. Kromosomi, joka oli alunperin solussa, ei tuota sellaista. Uusi kromosomi sisältää geenin, joka tuottaa. Geeni ilmentyi ja tunnisti alkuperäisen kromosomin vieraaksi materiaaliksi, pilkkoi sen, ja lopputulos oli solu, jossa on ainoastaan uusi kromosomi. Solu muuttui siniseksi lisäämiemme geenien vuoksi. Ja hyvin lyhyessä ajassa kaikki yhden eliölajin ominaisuudet olivat kadonneet, ja laji oli muuttunut uudeksi lajiksi, perustuen ohjelmistoon, jonka syötimme soluun. Kaikki proteiinit vaihtuivat, kaikki solukalvot vaihtuivat -- Kun luimme geneettisen koodin, se oli täsmälleen, mitä olimme syöttäneet soluun.

Tämä ehkä kuulostaa geneettiseltä alkemialta, mutta pystymme, siirtelemällä DNA-ohjelmistoja, muuttamaan asioita aika dramaattisesti. Olen argumentoinut, kyseessä ei ole luomistapahtuma -- hyödynnämme koneistoa, jonka evoluutio on rakentanut 3,5 miljardissa vuodessa -- ehkä pikemminkin olemme käynnistämässä uutta versiota kambrikauden lajiräjähdyksestä, kun valtava määrä uusia lajeja syntyy digitaalisen suunnittelun pohjalta.

Miksi tehdä tätä? Mielestäni on ilmeisiä tarpeita. Meidän määrämme lisääntyy 6,5 miljardista 9 miljardiin seuraavan 40 vuoden aikana. Laittaakseni asian mittoihinsa: Olen syntynyt 1946. Nykyään tällä planeetalla asuu kolme ihmistä jokaista sellaista kohti, joka oli olemassa 1946; 40 vuodessa täällä tulee asumaan neljä. Meillä on vaikeuksia ruokkia kaikki, järjestää puhdasta vettä, lääkkeitä, polttoaineita jo 6,5 miljardille. Yhdeksän tulee vaatimaan melkoista venymistä. Käytämme yli 5 miljardia tonnia hiiltä, 30 miljardia barrelia öljyä, ja enemmänkin. Se on sata miljoonaa barrelia päivässä. Kun yritämme keksiä biologista prosessia tai mitä hyvänsä prosessia korvaamaan ne, haaste on valtava. Lisäksi on tietenkin kaikki CO2, joka on peräisin tästä materiaalista ja joka päätyy ilmakehään.

Meillä on nyt, seurauksena tutkimuksista kaikkialla maailmassa, noin 20 miljoonan geenin tietokanta, ja minusta on hauska ajatella niitä tulevaisuuden suunnittelukomponentteina. Elektroniikkateollisuudella oli käytettävissään tusinan verran komponentteja, ja millainen monimuotoisuus niistä onkaan lähtöisin. Meitä rajoittavat pääasiassa biologiset reunaehdot ja oma mielikuvituksemme. Käytettävissämme on nykyään tekniikoita, näiden nopeiden synteesimenetelmien ansiosta, tehdä jotain, mitä kutsumme kombinatoriseksi genomiikaksi. Meillä on nyt kyky rakentaa iso robotti, joka pystyy valmistamaan miljoona kromosomia päivässä. Kun ajattelette näiden 20 miljoonan geenin jalostamista, prosessien optimointia oktaanin tuottamiseksi, tai lääkkeiden tuottamiseksi, uusien rokotteiden, voimme pienenkin tutkimusryhmän kanssa tuottaa enemmän molekyylibiologiaa kuin koko tiedeyhteisö viimeisen 20 vuoden aikana. Kyse on vain valinnoista. Voimme valita toteutettavuuden perusteella, kemikaalien tai polttoaineiden tuotannon, rokotteiden tuotannon, ja niin edelleen.

Tässä on ruutukaappaus todellisesta suunnitteluohjelmistosta, jonka parissa työskentelemme ja joka sallisisi istua alas ja suunnitella uusia eliölajeja tietokoneella. Emme välttämättä tiedä, miltä kaikki tulee näyttämään. Tiedämme täsmälleen, miltä niiden geneettinen koodi näyttää. Nykyään keskitymme neljännen sukupolven polttoaineisiin. Äskettäin esiteltiin maissietanoli, se on pelkkä kehno kokeilu. On olemassa toisen ja kolmannen sukupolven biopolttoaineita, jotka tulevat saataville varsin pian, lähtien sokerista, päätyen arvokkaampiin polttoaineisiin, kuten oktaaniin ja erilaisiin butanoleihin.

Mutta ainoa tapa, jolla voimme kuvitella biologialla olevan suurta vaikutusta ilman että se nostaa ruoan hintaa ja rajoittaa saatavuutta on, että käytämme CO2:ta lähtöaineena, ja olemmekin suunnittelemassa kennoja, jotka toimivat siihen tapaan, ja uskomme saavamme ensimmäiset neljännen sukupolven polttoaineet käyttöön noin 18 kuukaudessa. Auringonvalo ja CO2 on yksi lähestymistapa -- (Aplodeja) -- mutta löytöretkillämme eri puolilla maailmaa olemme kohdanneet muunkinlaisia mahdollisuuksia.

Tässä on organismi, jonka kuvailimme vuonna 1996. Se on syvänmeren eläjä, esiintyy noin 2,5 km syvyydessä, lähes kiehuvan veden lämpötilassa. Se muuttaa CO2:ta metaaniksi käyttäen vetyä energianlähteenään. Kokeilemme pystymmekö käyttämään talteenotettua CO2:ta, jota voi helposti siirtää putkistoissa prosessointilaitoksiin, muuntaa tämän CO2:n takaisin polttoaineeksi ajamaan prosessia.

Niinpä varsin pian, uskomme pystyvämme nostamaan panoksia peruskysymyksestä "Mitä on elämä?" Meillä on todellakin vaatimattomana tavoiteenamme syrjäyttää koko petrokemiallinen teollisuus.

(Naurua) (Aplodeja)

Jos sitä ei voi tehdä TEDissä niin missä sitten?

(Naurua)

Saadaan merkittävä energianlähde. Lisäksi työskentelemme päästäksemme käyttämään samoja työkaluja uusien pikarokotteiden aikaansaamiseen. Olette kohdanneet tämänvuotisen kausi-influenssan. Aina puuttuu aikaa ja rahaa kehittää oikeanlainen rokote. Arvelen, että tämä tulee muuttumaan, kun valmistetaan kombinatorisia rokotteita etukäteen. Tässä on miltä tulevaisuus alkaa näyttää, kun muokkaamme evoluution puuta, nopeutamme evoluutiota synteettisillä bakteereilla ja arkkieliöillä ja loppujen lopuksi aitotumallisilla. Olemme vielä pitkän matkan päässä ihmisten parantelemisesta. Päämäärämme on vain varmistaa, että meillä on mahdollisuus selvitä hengissä tarpeeksi pitkään ja ehkä tehdä sekin. Kiitos paljon.

(Aplodeja)