Craig Venter a szintetikus élet létrehozásának határán

Tudják, már beszéltem néhány ilyen projektről ezelőtt, a humán genomról, és hogy ez mit is jelenthet, illetve új génkészletek felfedezéséről. Tulajdonképpen egy új problémához kezdünk hozzá: digitalizáljuk a biológiát, és most próbálunk áttérni erről a digitális kódról a biológia egy új szakaszára, az élet megtervezésével és szintetizálásával.

Szóval mi mindig is nagy kérdéseket próbáltunk feltenni. "Mi az élet?" Ez olyasvalami, amit azt hiszem, sok biológus próbál megérteni különböző szinteken. Különböző megközelítésekkel próbálkoztunk, leszűkítve ezt minimális komponensekre. Már majdnem 20 éve digitalizáljuk. Amikor megszekvenáltuk az emberi genomot, ez átkerült a biológia analóg világából a számítógép digitális világába. Most azzal a kérdéssel foglalkozunk, regenerálhatjuk-e az életet, vagy létrehozhatunk-e új életet ebből a digitális univerzumból?

Ez egy kis organizmus térképe, a Mycoplasma genitaliumé. Ennek a fajnak van a legkisebb olyan genomja, amely képes az önreplikációra laboratóriumban. És arra próbáltunk meg rájönni, hogy előállhatunk-e egy még kisebb genommal. Képesek vagyunk sorrendben kiütni száz gént abból a nagyjából ötszázból, ami itt van. De amikor megnézzük a metabolikus térképét, ez viszonylag egyszerű a mienkhez képest. Higgyék el nekem, ez egyszerű. Amikor azonban az összes gént nézzük, amiket egyesével ki tudunk ütni, nagyon valószínűtlen, hogy ez egy élő sejtet fog adni. Ezért úgy döntöttünk, az egyetlen út előttünk az, hogy ténylegesen szintetizáljuk ezt a kromoszómát, azért, hogy változtatni tudjuk a komponenseket, hogy feltegyünk néhányat az alapvető kérdések közül. Elindultunk azon az úton, hogy "Tudunk-e szintetizálni egy kromoszómát?" Megengedi-e a kémia, hogy elkészítsük ezeket az igazán nagy molekulákat, ahol még sosem jártunk azelőtt? És ha megcsináljuk, be tudunk-e indítani egy kromoszómát? A kromoszóma egyébként csak egy darab semleges kémiai anyag. Szóval az élet digitalizálásának sebessége exponenciálisan növekszik.

A genetikai kód írására való képességünk kicsit lassan halad, de növekszik. És a legutóbbi eredményünk már exponenciális görbét ad. Több mint 15 évvel ezelőtt kezdtük mindezt. Valójában számos szakaszból állt, egy bioetikai felülvizsgálattal kezdve, mielőtt még az első kísérleteket elvégeztük. Azonban kiderült, hogy DNS-t szintetizálni nagyon nehéz. A világon több tízezer olyan gép van, amely kis darab DNS-eket készít, 30-50 betű hosszúakat, és ez egy degeneráló folyamat, úgyhogy minél hosszabb a darab, amit csinálsz, annál több hiba van benne. Ezért új módszert kellett létrehoznunk arra, hogy ezeket a kicsi darabokat összerakjuk, és kijavítsuk az összes hibát.

Ez volt az első kísérletünk, amit a Phi X 174 genomjának digitális információjával kezdtünk. Ez egy kicsi vírus, amely baktériumokat pusztít el. Megterveztük a darabokat, végigmentünk a hibajavításon, és lett egy körülbelül ötezer betű hosszú DNS-molekulánk. Akkor jött el az izgalmas szakasz, amikor fogtuk ezt a darab semleges kémiai anyagot, és betettük a baktériumba, és a baktérium elkezdte leolvasni ezt a genetikai kódot, és elkészítette a vírusrészecskéket. A vírusrészecskék aztán kiszabadultak a sejtekből, majd visszajöttek és megölték az E. colit. Nemrégiben beszélgettem az olajiparral, és mondhatom, teljesen megértették ezt a modellt.

(Nevetés)

Jobban nevettek, mint maguk, fiúk.

Azt gondoljuk, ez egy olyan helyzet, ahol a szoftver valóban meg tudja építeni a saját hardverét egy biológiai rendszerben. De sokkal tovább akartunk menni. Meg akartuk építeni a teljes baktériumkromoszómát. Ez több mint 580 ezer betűs genetikai kód. Úgy gondoltuk, vírusméretű kazettákban építjük meg őket, hogy így majd variálni tudjuk a kazettákat, hogy megértsük, mik az élő sejt tényleges komponensei. A tervezés kritikus, és ha az ember a számítógépben lévő digitális információval kezd, annak a digitális információnak tényleg pontosnak kell lennie. Amikor először szekvenáltuk meg ezt a genomot 1995-ben, a pontossági elvárás tízezer bázispárra egy hiba volt. Valójában, amikor újraszekvenáltuk, harminc hibát találtunk. Ha azt az eredeti szekvenciát használtuk volna, sose lett volna képes beindulni. A tervezés egyik része azon darabok megtervezése, amelyek ötven betű hosszúak, amelyeknek átfedésben kell lenniük az összes többi ötvenbetűs darabbal, hogy kisebb alegységeket építsenek fel, és úgy kellett terveznünk, hogy össze tudjanak illeszkedni. Egyedi elemeket tervezünk bele.

Talán olvasták, hogy vízjeleket tettünk bele. Gondolják meg: van egy négybetűs genetikai kódunk: A, C, G és T. Ezeknek a betűknek a tripletjei -- durván húsz aminosavat kódolnak -- úgy, hogy van egy egybetűs jelölés mindegyik aminosavra. Így használhatjuk a genetikai kódot szavak, mondatok, gondolatok leírására. Eredetileg csak aláírtuk. Néhány ember csalódott volt, hogy nem volt benne költészet. Úgy terveztük ezeket a darabokat, hogy vissza tudjuk emészteni enzimekkel. Vannak olyan enzimek, amelyek megjavítják és összerakják őket. Elkezdtünk darabokat készíteni, olyan darabokkal kezdve, amelyek öt-hétezer betűsek, egymáshoz illeszkednek, 24.000-betűs darabokat hozva létre, majd ezeknek a készleteit összeraktuk egészen 72.000-ig.

Minden szakaszban bőven növesztettük ezeket a darabokat, hogy meg tudjuk szekvenálni őket, mivel megpróbálunk egy különösen erőteljes eljárást létrehozni -- amit mindjárt láthatnak is. Megpróbálunk automatizálni a folyamatot. Ez úgy néz ki, mint egy kosárlabda rájátszás. Amikor eljutunk ezekhez az igazán nagy darabokhoz -- több mint százezer bázispárosak -- többé már nem nőnek könnyen E. coli-ban. Ez kimeríti a molekuláris biológia összes modern eszközét. Ezért más mechanizmusokhoz fordultunk. Tudtuk, hogy létezik egy homológ rekombinációnak nevezett mechanizmus, melyet a biológia a DNS megjavítására használ, amely össze tudja rakni a darabokat. Íme egy példa. Van egy organizmus, amit Deinococcus radiodurans-nak hívnak, és ez hárommillió rad sugárzást is kibír.

Láthatják a felső panelben, hogy a kromoszómája szétrobbant. 12-24 órával később pontosan ugyanolyanná állt össze, mint amilyen volt. Több ezer olyan szervezet létezik, amely képes erre. Ezeket a szervezeteket teljesen ki lehet szárítani. Képesek vákuumban élni. Teljesen biztos vagyok benne, hogy az élet létezhet az űrben, vándorolhat, új vizes környezetet kereshet. Valójában a NASA kimutatta, hogy sok ilyen van odakint.

Itt van egy valódi mikrofelvétel arról a molekuláról, amit építettünk ezeknek a folyamatoknak a felhasználásával -- csupán élesztőmechanizmusokat használunk a darabok helyes megtervezésével, amiket beléjük raktunk. Az élesztő önműködően összeilleszti őket. Ez nem elektronmikroszkópos felvétel; ez csak egy szokásos mikrofotográf. Ez egy olyan nagy molekula, hogy fénymikroszkóppal látható. Ezek egy körülbelül hat másodperces időszakról készült képek.

Tehát ez az a publikáció, amit nemrégiben adtunk ki. Ez több mint ötszáznyolvanezer betűből álló genetikai kód. Ez a legnagyobb olyan meghatározott szerkezettel rendelkező molekula,amelyet ember valaha is készített. Több mint háromszázmillió molekulasúlyú. Ha kinyomtatnánk tízes betűmérettel szóközök nélkül, 142 oldal lenne, csak ennek a genetikai kódnak a nyomtatása. Nos, hogyan indítunk be egy kromoszómát? Hogyan aktiváljuk? Nyilvánvalóan egy vírussal ez nagyon egyszerű. Sokkal bonyolultabb, ha baktériumokkal foglalkozunk. Akkor is egyszerűbb, amikor az ember eukariótákkal kezd, mint amilyenek mi is vagyunk: az ember csak kikapja a sejtmagot, és betesz egy másikat, és ez az, amit mindannyian hallottak a klónozásról. Az ősbaktériumok esetében a kromoszóma a sejtbe van integrálva, de nemrégiben bemutattuk, hogy teljes kromoszóma-átültetést tudunk csinálni egyik sejtből egy másikba, és képesek vagyunk aktiválni is. Megtisztítottuk egy mikrobatörzs kromoszómáját. Ez a kettő durván olyan távolságban van egymástól, mint az emberek és az egerek. Hozzáadtunk néhány plusz gént azért, hogy szelektálni tudjunk ezekre a kromoszómákra. Megemésztettük enzimekkel, hogy elpusztítsunk minden fehérjét. Elég meglepő volt, amikor beleraktuk a sejtbe -- és Önök értékelni fogják a nagyon kifinomult rajzainkat-- az új kromoszóma bekerült a sejtbe. Valójában azt gondoltuk, hogy eljutottunk, ameddig lehet, de megpróbáltuk kicsit tovább tervezni az eljárást.

Ez itt az evolúció egyik fő mechanizmusa. Mindenféle fajt találunk, amely valahonnan felvett egy második kromoszómát, vagy egy harmadikat, amely több ezer új jellegzetességet ad hozzá egy másodperc alatt ahhoz a fajhoz. Szóval azok az emberek, akik úgy gondolnak az evolúcióra, hogy egyszerre csak egy gén változik meg, sok biológiát mulasztottak.

Vannak restrikciós enzimeknek nevezett enzimek, amelyek tulajdonképpen megemésztik a DNS-t. Annak a kromoszómának, amely a sejtben volt, nincs ilyen enzimje. A sejtnek -- a kromoszómának, amit betettünk -- van. Ez kifejeződött, és idegen anyagként ismerte fel a másik kromoszómát, tönkretette, és végül csak a sejt maradt az új kromoszómával. Ez kék lett azok miatt a gének miatt, amiket beletettünk. És nagyon rövid idő alatt elveszett az egyik faj összes jellemzője, és teljesen átalakult az új fajjá, ami azon az új szoftveren alapult, amit a sejtbe raktunk. Az összes fehérje megváltozott, a membránok megváltoztak -- amikor leolvastuk a genetikai kódot, pontosan olyan volt, mint az, amit átültettünk.

Ez lehet, hogy úgy hangzik, mint a genetikai alkímia, de mi képesek vagyunk a DNS szoftver mozgatásával elég drámaian megváltoztatni a dolgokat. Nos, okoskodtam, ez nem teremtés -- ez egy három és fél milliárd éves evolúció továbbépítése, és azzal érveltem, hogy talán éppen a kambriumi robbanás új verzióját hozzuk létre, ahol masszív új fajkeletkezés van, amely ezen a digitális tervezésen alapul.

Miért tennénk ezt? Azt hiszem, elég nyilvánvaló a szükségleteket tekintve. A következő 40 évben az emberek száma hat és fél milliárdról kilencmilliárdra nő. Hogy kapcsolatba hozzam magammal: én 1946-ban születtem. Most mindegyikünkre, akik 1946-ben léteztünk, három ember jut a bolygón; 40 éven belül ez a szám négy lesz. Problémát jelent etetni, ellátni friss, tiszta vízzel, gyógyszerekkel, üzemanyaggal a hat és fél milliárdot. Kilencmilliárd esetében ez túlfeszített lesz. Több mint ötmilliárd tonna szenet, plusz 30 milliárd hordó olajat használunk. Ez napi százmillió hordó. Amikor megpróbálunk azon gondolkodni, hogy biológiai, vagy bármilyen más eljárással helyettesítsük ezt, hatalmas kihívás lesz. Aztán természetesen, ott van az ezekből az anyagokból származó szén-dioxid, amely a légkörben köt ki.

A világszerte tett felfedezésekből most van egy körülbelül 20 millió génből álló adatbázisunk, és én szeretek úgy gondolni ezekre, mint a jövő tervezési alkatrészeire. Az elektronikai iparnak csak kb. egy tucat alkatrésze volt, és nézzék meg a változatosságot, ami abból létrejött. Minket itt elsődlegesen a a biológiai realitás és a képzeletünk korlátoz. Már vannak technikáink ezek miatt a gyors szintézis módszerek miatt ahhoz, hogy megcsináljuk azt, amit kombinatorikus genomikának hívunk. Már megvan a képességünk ahhoz, hogy egy nagy robotot építsünk, amely naponta egymillió kromoszómát tud készíteni. Ha ennek a húszmillió különböző génnek a feldolgozására gondolunk, vagy hogy megpróbáljuk optimalizálni az eljárásokat, hogy oktánt vagy gyógyszereket állítsunk elő, vagy új oltóanyagokat, változtathatunk, csupán egy kis csoporttal több molekuláris biológiát csinálhatunk, mint az utolsó 20 évben a teljes tudomány. És ez csak szabvány kiválasztás. Szelektálhatunk életképességre, vegyi- vagy üzemanyag termelésre, oltóanyag előállítására, és így tovább.

Ez egy képernyő-pillanatfelvétel néhány valódi tervező szoftverről, amelyeken dolgozunk, hogy ténylegesen képesek legyünk leülni és fajokat tervezni számítógépen. Tudják, nem feltétlenül tudjuk, hogy fog ez kinézni. Azt pontosan tudjuk, hogy néz ki a genetikai kódjuk. Most a negyedik generációs üzemanyagokra koncentrálunk. A közelmúltban látták, hogy a kukoricából előállított etanol csak egy rossz kísérlet. Vannak másod- és harmadik generációs üzemanyagaink, amelyek viszonylag hamar fel fognak tűnni, ezek cukrok, olyan magasabb értékű üzemanyagok előállítására, mint az oktán vagy a butanol különböző típusai.

De szerintünk az egyetlen mód, hogy a biológia nagy hatást gyakorolhat anélkül, hogy tovább növelné az élelmiszerek költségeit és korlátozná az elérhetőségüket az, ha szén-dioxiddal indítunk, nyersanyagként, és ezért olyan sejtek tervezésén dolgozunk, amelyek ezen az úton haladnak, és úgy gondoljuk, meglesz az első negyedik generációs üzemanyagunk körülbelül 18 hónapon belül. A napfény és a szén-dioxid egy módszer -- (Taps) -- de a világszerte tett felfedezéseinkben mindenféle más módszer is van.

Ez egy olyan szervezet, amit 1996-ban írtak le. A mély óceánban él, körülbelül másfél mérföld mélységben, majdnem forrási hőmérsékleten. Szén-dioxidot alakít át metánná molekuláris hidrogént használva energiaforrásként. Megvizsgáljuk, vajon fel tudjuk-e használni a megkötött szén-dioxidot, amelyet könnyen lehet csövön át szállítani, ezt a szén-dioxidot vissza tudjuk-e alakítani üzemanyaggá, irányítani ezt a folyamatot.

Tehát rövid időn belül úgy gondoljuk, talán képesek leszünk kibővíteni a "Mi az élet?" alapvető kérdését is. Tudják, nekünk igazán -- szerény céljaink vannak, az egész petrolkémiai ipar helyettesítése.

(Nevetés) (Taps)

Igen. Ha az ember nem tudja ezt megcsinálni a TED-nél, akkor hol?

(Nevetés)

Fő energiaforrássá válni. Azon is dolgozunk, hogy ugyanezeket az eszközöket használjuk arra, hogy azonnali oltóanyagkészlettel rukkoljunk elő. Az influenzával kapcsolatban látták idén, hogy mindig egy év késésben vagyunk és pénzhiányban szenvedünk, ha a megfelelő vakcináról van szó. Úgy gondolom, ezt meg lehet változtatni úgy, hogy előre létrehozunk kombinatorikus oltóanyagokat. Íme, hogy kezd kinézni a jövő az evolúciós fa megváltoztatásával, az evolúció felgyorsításával a szintetikus baktériumokkal, ősbaktériumokkal, és végül az eukariótákkal. Messze vagyunk attól, hogy tökéletesítsük az embereket. A célunk biztosítani, hogy legyen esélyünk elég hosszú ideig élni ahhoz, hogy talán megcsinálhassuk. Nagyon köszönöm.

(Taps)