Craig Venter berada di ambang penciptaan kehidupan sintetis

Anda tahu, aku sudah pernah membicarakan beberapa dari proyek - proyek ini sebelumnya, tentang genom manusia dan apa maknanya yang mungkin, dan menemukan sekumpulan gen - gen baru. Kita sebenarnya sedang memulai hal baru: kita sudah mendigitalisasi biologi dan sekarang kita mencoba beranjak dari kode digital itu ke fase baru biologi, dengan merancang dan membuat kehidupan.

Jadi, selama ini kita selalu mencoba menanyakan hal - hal besar. "Apakah hidup itu?" adalah sesuatu yang saya pikir kebanyakan ahli biologi selama ini mencoba mengerti pada berbagai tingkatan. Kita sudah mencoba beragam pendekatan, meringkasnya hingga ke bagian - bagian terkecil. Kita sudah mencoba membuatnya menjadi digital selama 20 tahun. Ketika kita mensekuen genom manusia, itu adalah perjalanan dari dunia analog biologi ke dunia digital komputer. Sekarang kita mencoba bertanya, dapatkah kita memperbaharui kehidupan, atau dapatkah kita membuat kehidupan baru, dari semesta digital ini?

Ini adalah peta sebuah organisme kecil, Mycoplasma genitalium, yang memiliki genom terkecil untuk sebuah spesies yang bisa memperbanyak dirinya sendiri di laboratorium. Dan kita sudah mencoba melihat apakah kita dapat membuat genom yang lebih kecil lagi. Kita mampu melakukan penghapusan beberapa ratus gen sekaligus dari sekitar 500 yang ada di sini. Tapi ketika kita melihat peta metabolismenya, ternyata cukup sederhana dibandingkan dengan milik kita. Percayalah saya, ini sederhana. Namun, ketika kita melihat semua gen - gen yang bisa kita hapus satu demi satu, sangat tidak mungkin bahwa ini dapat menghasilkan sebuah sel yang hidup. Jadi, kita memutuskan bahwa satu - satunya jalan untuk maju adalah dengan mensintesis kromosom ini sehingga kita dapat memvariasikan komponen penyusunnya untuk menanyakan beberapa pertanyaan fundamental tadi. Jadi kita memulai di jalur, "Dapatkah kita mensintesis sebuah kromosom?" Dapatkah ilmu kimia memberi jalan untuk membuat molekul - molekul yang besar ini yang tidak pernah kita lakukan sebelumnya? Dan, kalau kita mampu, dapatkah kita menggunakannya untuk memulai kehidupan? Sebuah kromosom, sebenarnya, hanya merupakan bahan kimia yang tidak reaktif Jadi, langkah kita membuat hidup menjadi digital selama ini sudah meningkat secara eksponensial.

Kemampuan kita menulis kode genetik berkembang cukup pelan, tapi senantiasa meningkat. Dan ide terkini kami akan meletakkannya di sebuah kurva eksponensial. Kami memulai ini lebih dari 15 tahun lalu. Dibutuhkan beberapa tahap, sebenarnya, dimulai dengan tinjauan bioetis sebelum kami melakukan percobaan - percobaan pertama. Tapi ternyata mensintesis DNA sangatlah sulit. Ada puluhan ribu mesin di seluruh dunia yang membuat DNA berukuran kecil, dengan panjang 30 hingga 50 huruf, dan prosesnya memburuk, jadi semakin panjang materi yang dibuat, semakin banyak kesalahan yang ada. Jadi kami harus membuat metode baru untuk merangkai potongan - potongan kecil ini dan mengoreksi semua kesalahannya.

Dan ini adalah percobaan pertama kita, dimulai dengan informasi digital dari genom Phi X 174 Ini adalah sebuah virus kecil yang dapat membunuh bakteri. Kami merancang bagian - bagiannya, melakukan koreksi kesalahan dan mendapatkan molekul DNA sepanjang sekitar 5,000 huruf. Tahap yang menarik dimulai ketika kita mengambil potongan bahan kimia tidak reaktif ini dan memasukkannya ke dalam bakteri, dan bakterinya mulai membaca kode genetik ini, membuat partikel virus. Partikel - partikel virus itu kemudian dikeluarkan dari sel - selnya, kemudian kembali dan membunuh E. coli. Saya baru - baru ini berbicara dengan perwakilan industri migas dan saya bilang bahwa mereka pastinya mengerti model itu.

(Tawa)

Mereka tertawa lebih dari kalian semua.

Jadi kami berpikir ini adalah situasi di mana piranti lunak bisa membangun perangkat kerasnya sendiri di sebuah sistem biologis. Tapi kami ingin yang lebih besar lagi. Kami ingin membuat seluruh kromosom bakteri. Panjang kode genetiknya lebih dari 580,000 huruf. Jadi kami berpikir kami akan membuatnya dalam paket - paket seukuran virus, agar kami dapat memvariasikan paket - paketnya untuk mengerti apa saja sebenarnya komponen sebuah sel hidup. Perancangan sangat penting, dan kalau anda memulai dengan informasi digital di komputer, informasi digital tersebut harus sangat akurat. Ketika kami pertama kali mensekuen genom ini tahun 1995, standar akurasinya adalah satu kesalahan setiap 10,000 pasang basa. Kami sebenarnya menemukan, ketika melakukan pensekuenan ulang, 30 kesalahan. Kalau kita menggunakan sekuen aslinya, selnya tidak akan pernah bisa hidup. Sebagian dari proses perancangannya adalah merancang potongan - potongan yang panjangnya 50 huruf yang harus tumpang tindih dengan potongan - potongan berukuran 50 huruf yang lain untuk membangun sub unit yang lebih kecil kami harus mampu merancangnya agar mereka dapat berpadu. Kami merancang bagian - bagian unik di dalamnya.

Anda mungkin pernah membaca bahwa kita memberikan tanda khusus di dalamnya. Pikirkan ini: kita mempunya empat huruf penyusun kode genetik: A, C, G, dan T. Kombinasi tiga huruf dari huruf - huruf tadi menyandikan sekitar 20 asam amino -- dan ada kode satu huruf untuk setiap asam amino. Jadi kita bisa menggunakan kode genetik untuk menulis kata - kata, kalimat, pikiran. Awalnya, yang kami lakukan adalah memberinya tanda khusus. Beberapa orang kecewa karena tidak ada unsur puitisnya. Kami merancang potongan - potongan ini sehingga kami bisa memotongnya sedikit dengan enzim - enzim. Ada enzim yang dapat memperbaiki mereka dan menggabungkannya. Dan kami mulai membuat potongan - potongan, dimulai dengan potongan yang berukuran lima hingga tujuh ribu huruf, menggabungkan mereka untuk membuat potongan berukuran 24,000 huruf, dan menggabungkan sekumpulan potongan ini, hingga berukuran 72,000.

Di setiap langkah, kami menumbuhkan potongan - potongan ini secara berlimpah jadi kami bisa mensekuens mereka karena kami mencoba membuat sebuah proses yang sangat mantap -- yang anda bisa lihat sebentar lagi. Kami mencoba mencapai titik otomatisasi. Jadi, ini terlihat seperti perlombaan basket. Ketika kami mencapai potongan - potongan yang sangat besar ini -- lebih dari 100,000 pasang basa -- mereka tidak mau lagi tumbuh dengan mudah di E. coli. Semua teknologi modern biologi molekuler sudah habis digunakan. Jadi kami mencoba mekanisme lain. Kita tahu bahwa ada mekanisme yang disebut rekombinasi homologis, yang digunakan biologi untuk memperbaiki DNA, yang bisa menggabungkan potongan - potongan menjadi satu. Ini contohnya. Ada organisme yang disebut Deinococcus radiodurans yang bisa bertahan di radiasi tiga juta rad.

Anda bisa melihat di panel atas, kromosomnya hancur begitu saja. 12 sampai 24 jam kemudian, dia sudah menggabungkannya persis seperti semula. Kita memiliki ribuan organisme yang bisa melakukan ini. Organisme - organisme ini bisa dikeringkan sepenuhnya. Mereka bisa hidup di ruang hampa udara. Saya sangat yakin bahwa kehidupan dapat ditemukan di angkasa luar, pindah ke sana kemari, menemukan lingkungan cair yang baru. Bahkan, NASA sudah menunjukkan bahwa banyak yang seperti ini di luar sana.

Ini adalah mikrograf sungguhan dari molekul yang kami bangun menggunakan proses - proses ini -- sebenarnya hanya menggunakan khamir (mirip proses peragian) dengan rancangan potongan - potongan yang tepat, kami memasukkannya. Khamir akan menggabungkan mereka secara otomatis. Ini bukan mikrograf elektron; hanya foto mikrograf biasa. Molekulnya sangat besar hingga kita bisa melihatnya dengan mikroskop cahaya. Ini adalah gambar - gambar selama kurang lebih enam detik.

Jadi ini publikasi yang kami punya beberapa waktu lalu. Kode genetiknya berukuran lebih dari 580,000 huruf. Ini adalah molekul terbesar yang pernah dibuat manusia dengan struktur yang ditentukan. Beratnya lebih dari 300 juta berat molekul. Kalau kita mencetaknya dengan huruf berukuran 10 dan tanpa spasi, dibutuhkan 142 halaman hanya untuk mencetak kode genetik ini. Jadi bagaimana kita membuat sebuah kromosom aktif? Bagaimana kita mengaktivasi ini? Tentunya, dengan virus cukuplah sederhana. Lebih rumit lagi jika berurusan dengan bakteri. Sederhana juga kalau anda menggunakan eukariot seperti kita: anda bisa saja mengeluarkan nukleusnya dan memasukkan yang lain, dan itulah sebenarnya yang anda sudah dengar seputar kloning. Dengan bakteri atau arkea, kromosomnya terintegrasi di dalam sel, tapi kami baru - baru ini menunjukkan bahwa kami dapat melakukan transplantasi utuh sebuah kromosom dari satu sel ke sel lain dan mengaktifkannya. Kami memurnikan sebuah kromosom dari satu spesies mikroba Secara kasar, keduanya berkerabat sejauh manusia dan mencit (sejenis tikus percobaan). Kami menambahkan beberapa gen ekstra jadi kami bisa memilih kromosom ini. Kami mencernanya dengan enzim - enzim untuk menghancurkan semua protein - proteinnya. Dan sesuatu yang mengejutkan terjadi ketika kami memasukkan ini ke dalam sel -- dan anda akan menghargai gambar kami yang canggih ini -- kromosom barunya masuk ke dalam sel. Bahkan, kami berpikir ini adalah yang terjauh yang bisa dilakukan, namun kami mencoba merancang prosesnya lebih jauh lagi.

Ini adalah sebuah mekanisme utama evolusi. Kami menemukan berbagai jenis spesies yang sudah mengambil kromosom kedua atau ketiga dari suatu tempat, menambahkan ribuan sifat baru dalam beberapa detik saja ke spesies tersebut. Jadi orang - orang berpikir bahwa evolusi itu hanya satu gen yang berubah di satu waktu kehilangan sebagian besar biologi.

Ada enzim yang disebut enzim restriksi yang bisa mencerna DNA. Kromosom yang ada di sel pada awalnya tidak memilikinya. Kromosom yang kami masukkan -- punya. Dia kemudian diekspresikan, dan mengenali kromosom lainnya sebagai benda asing, memotong - motongnya, dan pada akhirnya kami mendapatkan hanya sel dengan kromosom yang baru. Warnanya menjadi biru karena gen - gen yang kami masukkan. Dan dalam jangka waktu singkat, semua sifat - sifat dari spesies yang lama hilang, dan dia berubah seutuhnya menjadi spesies baru, berdasarkan piranti lunak yang kami masukkan ke dalam sel. Semua proteinnya berubah, membrannya berubah -- ketika kami membaca kode genetiknya, sama persis dengan apa yang telah kami masukkan.

Jadi ini mungkin terdengar seperti alkimia genomik, tapi kami bisa, dengan memindah - mindahkan piranti lunak DNA-nya mengubah hal - hal dengan cukup dramatis. Sekarang, saya telah berargumen, bahwa ini bukan penciptaan -- ini mengandalkan tiga setengah milyar tahun evolusi, dan saya telah berargumen bahwa kita sebentar lagi mungkin menciptakan versi baru ledakan Cambrian di mana ada penciptaan spesies baru dalam skala sangat besar berdasarkan rancangan digital ini.

Kenapa melakukan ini? Saya rasa cukup jelas kenapa, dalam konteks beberapa kebutuhan manusia. Kita akan beranjak dari enam setengah hingga sembilan milyar orang dalam 40 tahun ke depan. Untuk meletakkannya dalam konteks bagi saya sendiri: Saya lahir tahun 1946. Sekarang ada tiga orang di planet ini untuk setiap dari kita yang ada di tahun 1946; dalam 40 tahun, akan ada empat. Kita punya masalah dalam memberi makan, menyediakan air yang jernih dan bersih, obat - obatan, bahan bakar untuk enam setengah milyar penduduk. Akan sangat sulit sekali melakukannya untuk sembilan. Kita menggunakan lebih dari 5 milyar ton batu bara. 30 milyar lebih barel minyak. Itu adalah seratus juta barel per hari. Ketika kami mencoba memikirkan proses - proses biologis atau proses apapun yang dapat menggantikan itu, akan menjadi tantangan yang sangat besar. Kemudian, tentunya, ada juga semua CO2 dari bahan - bahan ini yang berakhir di atmosfer.

Kami sekarang, dari penemuan kami di seluruh dunia, memiliki basis data dengan lebih dari 20 juta gen, dan suka menganggap ini semua sebagai bagian rancangan masa depan. Industri elektronika hanya memiliki sekian lusin bagian, dan lihat keragaman yang muncul dari itu semua. Kita di sini terbatas terutama oleh kenyataan biologis dan imajinasi kita. Kita sekarang memiliki teknik - teknik, karena teknologi sintesis yang cepat ini, untuk melakukan apa yang kami sebut dengan genomik kombinatorial. Kami sekarang mempunyai kemampuan untuk membangun robot besar yang bisa membuat sejuta kromosom per hari. Ketika anda berpikir tentang mengolah 20 juta gen - gen yang berbeda ini, atau mencoba mengoptimisasi proses - prosesnya untuk memproduksi oktan atau memproduksi obat - obat, vaksin - vaksin baru, kami bisa berubah; hanya dengan sebuah tim kecil, melakukan lebih banyak biologi molekuler dibanding yang telah dilakukan semua ilmu pengetahuan selama 20 tahun terakhir. Dan itu semua hanya pemilihan biasa. Kami bisa memilih berdasarkan kelangsungan hidup, produksi bahan kimia atau bahan bakar, produksi vaksin, dan sebagainya.

Ini adalah potret layar beberapa piranti lunak disain yang sedang kami kerjakan supaya nantinya kami dapat duduk dan merancang spesies menggunakan komputer. Anda tahu, kami tidak sepenuhnya tahu bagaimana dia akan terlihat nanti. Kami tahu persis bagaimana kode genetik mereka nantinya. Kita sekarang berfokus pada bahan bakar generasi keempat. Anda sudah melihat akhir - akhir ini mengubah jagung menjadi etanol hanyalah sebuah percobaan yang buruk. Kita memiliki bahan bakar generasi kedua dan ketiga yang akan segera keluar segera yang merupakan gula yang diubah menjadi bahan bakar bernilai lebih seperti oktan atau berbagai jenis butanol.

Tapi satu - satunya jalan yang kami pikirkan agar biologi bisa memberikan dampak besar tanpa meningkatkan biaya makanan lebih jauh lagi dan membatasi ketersediaannya adalah jika kita memulai dengan CO2 sebagai pakannya, jadi kami bekerja merancang sel - sel untuk menelusuri kemungkinan ini, dan kami pikir kami akan mendapatkan bahan bakar generasi keempat dalam waktu sekitar 18 bulan. Cahaya matahari dan CO2 merupakan satu metode -- (Tepuk Tangan) -- tapi melalui penemuan kami di seluruh dunia, kami memiliki berbagai macam metode lain.

Ini adalah organisme yang kami deskripsikan pada tahun 1996. Dia hidup di laut dalam, pada kedalaman sekitar 2.4 km, hampir mendekati suhu air mendidih. Dia mengubah CO2 menjadi metana menggunakan molekul hidrogen sebagai sumber energinya. Kami mencoba melihat apakah kami bisa mengambil CO2 yang ditangkap, yang bisa dengan mudah dialirkan ke tempat lain, mengubah CO2 tersebut kembali menjadi bahan bakar, untuk menjalankan proses ini.

Jadi dalam jangka waktu singkat, kami pikir kami mungkin bisa meningkatkan pertanyaan dasar mengenai "Apakah kehidupan itu?" Kami sesungguhnya, anda tahu punya tujuan yang sederhana untuk menggantikan seluruh indutri petrokimia.

(Tawa) (Tepuk Tangan)

Ya. Kalau anda tidak bisa melakukan itu di TED, lalu di mana lagi?

(Tawa)

Menjadi sumber utama energi. Tapi juga, kami sekarang menggunakan alat - alat yang sama ini untuk membuat seperangkat vaksin instan. Anda telah melihatnya tahun ini dengan flu, kita selalu kekurangan waktu dan uang untuk membuat vaksin yang tepat. Saya pikir itu dapat diubah dengan membuat vaksin kombinatorial dahulu. Inilah bagaimana masa depan mungkin mulai terlihat dengan mengubah, sekarang, pohon evolusi, mempercepat evolusi dengan bakteri sintetis, arkea sintetis, dan pada akhirnya eukariot. Kita masih jauh dari peningkatan pada level manusia. Tujuan kita adalah hanya memastikan bahwa kita punya kesempatan untuk bertahan cukup lama untuk mungkin melakukan itu. Terima kasih banyak.

(Tepuk Tangan)