Barry Schuler: Genomics 101

Wat gebeurt er in genomics, en hoe staat deze revolutie op het punt alles te veranderen dat we weten over de wereld, het leven, onszelf, en hoe we daarover denken.

Als je 2001: A Space Odyssey hebt gezien, en je hoorde het boem, boem, boem, boem en je zag de monoliet wist je dat dat Arthur C. Clarke's voorstelling was van een cruciaal moment in de evolutie van onze soort. In dit geval was dat het oppakken van botten om daar een werktuig van te maken, en het te gebruiken, wat betekende dat apen die rondrenden, aten en gemeenschap hadden, bedachten dat ze dingen konden maken met gereedschap. Dat bracht ons op een nieuw niveau.

En, weet je, in de laatste 30 jaar in het bijzonder zijn we getuige geweest van een stroomversnelling in kennis en technologie, technologie heeft geleid tot meer kennis en heeft ons werktuigen gebracht. We zijn getuige geweest van zeer veel cruciale ontwikkelingen. We zagen de creatie van kleine computers in de jaren '70 en vroege jaren '80, en wie zou er toen gedacht hebben dat iedereen niet alleen één zo'n computer zou hebben, maar wel twintig in je huis, en niet alleen maar in je PC, maar in elk apparaat -- van je wasmachine tot je mobiele telefoon. In je auto zitten zelfs 12 microprocessors. Vervolgens gaan we verder, en creëren het internet -- we verbinden de wereld en verkleinen afstanden.

We hebben zo veel verandering gezien, en nu hebben we dit gereedschap -- dit geavanceerde gereedschap -- waarmee we naar onszelf kunnen kijken naar iets dat we allemaal gemeenschappelijk hebben, en dat is het genoom.

Hoe gaat het met uw genoom vandaag? Heeft u er laatst nog aan gedacht? Op zijn minst erover gehoord? Waarschijnlijk heeft u recentelijk wel over genomen gehoord.

Ik zou u graag willen vertellen wat een genoom is. Het is net zo'n beetje als wanneer je iemand vraagt: wat is een megabyte of megabit eigenlijk? En wat is breedband? Mensen zeggen niet zo graag dat ze het eigenlijk niet begrijpen. Dus, ik zal gelijk met de deur in huis vallen. U heeft over DNA gehoord, en er misschien zelfs over geleerd in de biologie-lessen. Een genoom is eigenlijk een beschrijving voor al het DNA in een levend organisme. En één ding dat al het leven gemeenschappelijk heeft is DNA. Het maakt niet uit of je gist bent; het maakt niet uit of je een muis bent; het maakt niet of je een vlieg bent: we hebben allemaal DNA. Het DNA is in woorden georganiseerd, we noemen ze: genen en chromosomen.

In de jaren '50 beschreven Watson en Crick de prachtige dubbele helix die we vandaag kennen als het DNA molecuul -- een heel lang, en ingewikkeld molecuul -- vervolgens ontdekten we dat het DNA een taal is die onze eigenschappen, onze kenmerken bepaalt, wat we erven van onze ouders, en welke ziekten we misschien krijgen. We hebben ook ontdekt dat DNA een zeer oud molecuul is, dat al het DNA in je lichaam er altijd al was, sinds de dag dat wij als organismen bestonden. Het is een historisch archief.

Binnenin uw genoom ligt de geschiedenis van onze soort, en van u als individueel menselijk wezen, waar je vandaan komt, en dat gaat duizenden en duizenden en duizenden jaren terug, iets wat we nu beginnen te begrijpen. Maar het genoom is ook een handleiding. Het is een programma. Het is de code van het leven. Het is waardoor jij functioneert; het is wat alle organismen laat functioneren. DNA is een zeer elegant molecuul. Het is lang en ingewikkeld. Eigenlijk is alles wat je moet weten, dat er vier letters zijn: A, T, C en G; ze stellen de naam van scheikundige verbindingen voor. En met deze vier letters, kan je een taal maken: een taal waarmee alles te beschrijven is, ook zeer ingewikkelde dingen. Over het algemeen komen ze voor in paren, en vormen ze woorden die base paren noemen. Als je erover nadenkt, zijn er vier letters, die ons laten functioneren.

En dat klinkt niet heel erg intiutief, maar laten we dat eens vergelijken met iets dat u kent: computers. Als u naar dit scherm kijkt, ziet u afbeeldingen, u ziet woorden, maar deze bestaan enkel uit énen en nullen. De taal van technologie is binair; dat heeft u waarschijnlijk al eens eerder gehoord. Alles wat digitaal is bestaat uit een één of een nul. Dus, als u naar uw favoriete muziek luistert in iTunes, is dat eigenlijk een stel énen en nullen die zeer snel worden afgespeeld. Ook deze afbeeldingen bestaat uit énen en nullen, ook wanneer u met uw mobieltje aan het bellen bent, via een netwerk, wordt uw stem geconverteerd naar enen en nullen die worden doorgestuurd. Kijk eens naar al die complexe en mooie dingen die we hebben kunnen maken met enkel een één en een nul.

Als we dat opschalen naar vier, is er een hoop complexiteit mogelijk, en zijn er een hoop manieren om mechanismen te beschrijven. Laten we het er over hebben wat dat betekent. Als we het menselijk genoom bekijken, bestaat dat uit 3,2 miljard baseparen. Dat is veel. En ze komen op allerlei verschillende manieren voor, en dat maakt u tot een mens. Om u een indruk te geven van deze grootte: als we dit converteren naar de binaire notatie zijn we eigenlijk kleiner dan het programma Microsoft Office. Het is helemaal niet zo veel data. En we zitten even goed vol fouten. (gelach)

Dit is een foutje in mijn genoom waar ik een lange tijd mee geworsteld heb. Als je ziek wordt, kan dit komen door een fout in je genoom. Veel ziekten waar we al een lange tijd mee worstelen, zoals kanker, kunnen we niet genezen omdat we niet weten hoe ze werken op het niveau van het genoom. We beginnen dat nu te begrijpen.

Tot nu toe proberen we dit te repareren met wat ik noem 'gooi-alles-ertegenaan farmacologie', wat eigenlijk betekent: laten we er medicijnen tegenaan gooien. en misschien gaat het daarmee lukken.. Maar wat als je echt begrijpt hoe een normale cel zich ontwikkelt tot een kankercel? Wat is de code? Wat zijn de instructies waarom dit gebeurt? Dan kun je proberen het proces te begrijpen en te repareren. Zo, om indruk te maken tijdens uw volgend etentje, zijn hier een paar feitjes.

We hebben ongeveer 24,000 genen die functioneren. We hebben ongeveer honderd tot 120,000 andere genen die niet elke dag lijken te functioneren, maar die een archief beschrijven over hoe we ooit functioneerden als een soort dat tienduizenden jaren terug gaat. Misschien vindt u het ook interessant om te weten dat een muis ongeveer dezelfde hoeveelheid genen heeft.

Recentelijk is de DNA sequentie van de Pinot Noir druif bepaald, en deze heeft ook ongeveer 30,000 genen. Het aantal genen correleert dus niet per sé met de complexiteit of de evolutionaire volgorde waarin soorten ontstonden. Kijkt u eens rond, naar uw buurman bijvoorbeeld, kijk eens naar voren, naar achteren. We zien er allemaal anders uit. Een heleboel knappe mensen hier, dun, dik, verschillende rassen, culturen. We zijn allemaal ongeveer 99,9% identiek. Dus is het een honderste van 1% genetisch materiaal, dat het verschil maakt tussen eenieder van ons. Dat is een heel kleine hoeveelheid materiaal, maar uiteindelijk is dat wat veranderingen in mensen en andere soorten mogelijk maakt.

Tegenwoordig kunnen we genomen lezen. Het eerste genoom kostte tien jaar en 3 miljard dollar. Het is bepaald door Doctor Craig Venter. Hierna werd James Watson's -- een van de ontdekkers van DNA -- genoom bepaald voor 2 miljoen dollar, en in slechts twee maanden. Als je dit vergelijkt met de ontwikkelingen in de computerindustrie en hoe we van zeer grote naar kleine computers zijn gegaan, terwijl ze alsmaar krachtiger en sneller werden, dat is wat er nu gebeurt in de sequentiebepaling van genen: we staan op het punt de sequentie van mensen te bepalen voor 5000 dollar in een uur tot een half uur; dit zal mogelijk zijn binnen nu en vijf jaar.

Dat betekent dat u rond zal lopen met een persoonlijk genoom op een kleine kaart. Dat zal gebeuren. En als u medicijnen koopt, koopt u geen medicijnen die voor iedereen bedoeld zijn. U zal uw genoom aan de apotheker geven, en uw medicijn wordt voor u gemaakt en het zal stukken beter werken dan de conventionele medicijnen. Er zullen geen bijverschijnselen zijn. Al die bijwerkingen, die altijd genoemd worden in reclames: vergeet ze. Dat zal allemaal verdwijnen.

Hoe ziet een genoom er eigenlijk uit? Nou, hier is er één. Het is een lange serie van deze base paren. Een genoom van een muis of een mens zien er niet verschillend uit, maar waar wetenschappers nu mee bezig zijn is dat ze beginnen te begrijpen wat deze baseparen doen en wat ze betekenen. Want wat de natuur doet, is voortdurend dubbel-klikken. In andere woorden, de eerste paar zinnen hier, ervan uitgaande dat dit de sequentie is van een druivenplant: maken een wortel, een tak, creëren bloesem. In een mens, zou dat kunnen zijn: maak bloedcellen, start kanker. Voor mij zou dat kunnen zijn: sla elke calorie die je consumeert op, omdat ik uit een koud klimaat kom. Voor mijn vrouw: eet drie keer zo veel, en kom niets aan. Het zit allemaal verborgen in deze code, en deze code wordt met baanbrekende snelheid beter begrepen.

Wat kunnen we dan met genomen doen, nu we ze kunnen lezen, nu dat we het boek van het leven in onze handen beginnen te krijgen? Er zijn veel dingen. Sommigen zijn spannend. Sommige mensen zullen ze eng vinden: eerst zal ik u wat zaken vertellen waardoor u waarschijnlijk van mij walgt, maar dat geeft niet. Dus, we kunnen de geschiedenis van organismen bepalen.

U kunt een heel simpele test doen: schraap wat materiaal van de binnenkant van je wang, en stuur het weg. Hiemee kunt u uitvinden waar uw familie vandaan komt; U kunt uw genealogie tot duizenden jaren terug bepalen. We kunnen ook functies begrijpen. Dit is zeer belangrijk. We kunnen bijvoorbeeld begrijpen, waarom er bloedpropjes in onze aderen ontstaan, waar het zetmeel in graan vandaan komt, waarom gist suiker verbruikt en koolstofdioxide produceert. We kunnen ook op een grotere schaal uitzoeken waardoor problemen ontstaan, waarom ontstaan er ziekten, en hoe kunnen we ze genezen. Omdat we dit nu kunnen begrijpen, kunnen we problemen verhelpen, en betere organismen maken.

Nog belangrijker, we leren nu dat de natuur ons een spectaculaire gereedschapskist heeft gegeven. Die gereedschapskist bestaat. Een architect die veel beter en slimmer dan wij is heeft ons deze gereedschapskist gegeven. En we kunnen ze nu gebruiken. We kunnen op dit moment niet alleen genomen lezen; we kunnen ze ook schrijven.

Dit bedrijf, Synthetic Genomics, waarbij ik betrokken ben, heeft het eerste volledig synthetische genoom voor een klein beestje gemaakt, een zeer primitief organisme dat Mycoplasma genitalium heet. Als je een blaastontsteking hebt -- of ooit heeft gehad -- ben je in contact gekomen met dit kleine beestje. Het is zeer simpel -- het heeft slechts 246 genen -- maar we waren in staat het genoom volledig te synthetiseren. Nu we dit genoom hebben, kun je jezelf afvragen kunnen we dit synthetitisch genoom inpluggen -- als ik de oude er eerst uithaal -- start het beestje op en begint het te leven? Raad eens. Dat gebeurt.

Maar dat is niet het enige wat het doet. Stel je neemt dit synthetische genoom en je stopt het in een ander organisme, zoals gist, dan kun je nu deze gist in een Mycoplasma veranderen. Het is een beetje als het opstarten van een PC met Mac OS software. Je zou het ook andersom kunnen doen. Dus, door een genoom te kunnen schrijven en in een ander organisme te stoppen, kan de software, de hardware veranderen. En dit heeft verregaande gevolgen.

Afgelopen jaar hebben Fransen en Italianen aangekondigd dat ze samen de genoomsequentie van de Pinot Noir hebben bepaald. De sequentie is nu bekend voor het hele Pinot Noir organisme, en ze hebben, nogmaals, ongeveer 29,000 genen geïdentificeerd. Ze hebben metabole routes gevonden die smaken creëren, hoewel het heel belangrijk is om te begrijpen dat de stoffen die geproduceerd worden moeten matchen met een receptor in ons genoom, op onze tong, voordat wij die smaken kunnen proeven en interpreteren.

Ze hebben ook ontdekt dat er veel activiteit zit in het produceren van aroma's. Ze hebben gebieden geïdentificeerd die gevoelig zijn voor ziekte. Ze begrijpen nu -- en het onderzoek gaat nog steeds door -- precies hoe de plant werkt. We hebben nu de mogelijkheid de hele code te lezen, en te begrijpen hoe het werkt. Dus, wat doe je daar vervolgens mee? We kunnen het genoom lezen, schrijven en veranderen, misschien kunnen we het genoom vanaf niets opbouwen. Hoe doe je dat? Je zou een Franken-Noir kunnen maken. (Gelach)

We kunnen een betere druivenplant maken. Overigens, als u schrikt van het genetisch modificeren van organismen; er is geen enkele druivenplant in deze vallei of waar dan ook die niet genetisch gemodificeerd is. Ze groeien niet uit zaden; ze worden geënt op de onderstam van bestaande planten; ze zouden niet in de natuur op zichzelf staand voorkomen.

Dus, maak u geen zorgen hierover. We doen dit al sinds tijden. Dus, we zouden ons op resistentie tegen ziekten kunnen concentreren; we zouden voor hogere opbrengst kunnen gaan, zonder noodzakelijkerwijs ingrijpende agrarische technieken of hoge kosten te gebruiken. We zouden het klimaatvenster kunnen vergroten: we zouden Pinot Noir in Long Island kunnen laten groeien, god verhoede. (Gelach)

We zouden betere smaken en aromas kunnen produceren. U wilt een beetje meer frambozen-, of chocoladesmaak hier of daar? Al deze dingen zouden in principe gedaan kunnen worden, en ik verzeker u, dat het gedaan zal worden. Maar vergeet het ecosysteem niet. We zijn geen individuele kleine organismen die rondrennen. We zijn onderdeel van een groot ecosysteem.

In feite -- het spijt me dat ik u dit vertel -- binnenin uw darmenstelsel leeft voor ongeveer 5 kilo aan micro-organismen die door uw lichaam circuleren. Onze oceanen zitten vol met micro-organismen; meer nog, toen Craig Venter de sequenties van micro-organismen bepaalde in de oceaan, verdrievoudigde onze kennis van bestaande soorten op aarde door de ontdekking van nieuwe micro-organismen in de bovenste zes meter water van de oceaan. We begrijpen nu dat deze organismen ons klimaat beïnvloeden en CO2 en zuurstof reguleren op dezelfde manier als planten, waardoor onze atmosfeer met zuurstof wordt gevuld.

We vinden microben in elke uithoek van de planeet: in ijs, in kolen, in rotsen, in vulkanische geisers; het is wonderbaarlijk. Over planten hebben we ontdekt, net zoals we hun genomen beginnen te begrijpen, dat het het ecosysteem om hen heen is, dat het de micro-organismen zijn die in hun wortels leven, die net zoveel de eigenschappen van de plant bepalen als de metabole routes van de planten zelf.

Als je beter naar een wortelsysteem kijkt, zul je daar zeer veel diverse kolonies van micro-organismen vinden. Dat is geen groot nieuws voor de wijnboeren; die al zeer lang de invloed van water en bemesting bestuderen. En opnieuw, zie ik dit als een soort 'gooi-alles-ertegenaan farmacologie': je weet wel, sommige bemesting maakt de plant gezond, dus je gebruikt er meer van. Je weet niet tot in detail welke organismen de smaken en eigenschappen bepalen van de plant. We kunnen dat nu uitzoeken. We praten allemaal over wijnstreken; we aanbidden wijnstreken we zeggen, wow, deze wijnstreek is fantastisch en zo bijzonder. Deze wijnstreek levert wijn van zulke hoge kwaliteit, dat geloof je niet.

We zouden er lang over kunnen discussiëren en debateren -- het ligt misschien aan klimaat, de grond, of iets anders. Maar raad eens? We kunnen nu uitzoeken wat een wijnstreek bijzonder maakt. Het ligt daar, te wachten tot de sequentie bepaald wordt. Er zijn daar duizenden microben. De sequentie is makkelijk te bepalen: in tegenstelling tot bij mensen, ze hebben slechts duizend of tweeduizend genen; we kunnen uitzoeken wie ze zijn en wat ze doen.

We hoeven alleen een schop in de grond te zetten, een monster te nemen, en de beestjes te vinden, hun sequentie te bepalen, dat correleren aan eigenschappen die we willen hebben en welke niet -- dat is gewoon een grote databse - en dan bemesten. En dan begrijpen we wat een wijnstreek bijzonder maakt. Sommigen zullen zeggen: 'Oh mijn God, spelen we nu voor God?' Wel nu, als we organismen construeren, spelen we dan voor God? Deze vraag werd altijd gesteld aan James Watson -- hij is niet altijd politiek correct -- (Gelach) ... en ze vroegen aan hem "Spelen we nu voor God?" En hij had het beste antwoord dat ik ooit gehoord heb op deze vraag: "Wel, iemand moet het doen." (Gelach)

Ik zie mezelf als een spiritueel persoon, zonder het georganiseerde aspect van religie, en ik zal u vertellen: ik denk niet dat er iets onnatuurlijks bestaat. Ik geloof niet dat chemicaliën onnatuurlijk zijn. Ik had u gewaarschuwd dat sommigen zouden walgen van mij. Het is heel simpel: we bedenken geen moleculen. Ze zijn hier. Ze zijn in ons universum. Wij reorganiseren ze, we verwisselen hun volgorde, maar we maken niets onnatuurlijks.

We kunnen natuurlijk een slechte invloed hebben -- we kunnen onszelf vergiftigen; we kunnen de aarde vergiftigen -- maar dat is gewoon het gevolg van fouten die we maakten. Wat er nu gebeurt, is dat de natuur ons een gereedschapskist aanreikt, en wij vinden dat deze gereedschapskist zeer uitgebreid is. Er zijn bacteriën die benzine maken, geloof het of niet. Er zijn micro-organismen, die net chemische fabrieken zijn; de meest ingewikkelde chemische fabrieken komen uit de natuur, en we kunnen ze nu gebruiken. Er is ook een aantal regels.

De natuur maakt sommige dingen onmogelijk -- we kunnen een druivenplant ontwerpen, maar we kunnen een druivenplant geen baby's laten maken. De natuur heeft een aantal regels uitgezet. We kunnen binnen deze regels werken; we kunnen ze niet breken. We leren op dit moment wat de regels zijn. Ik zal een vraag stellen, als u alle ziekten zou kunnen genezen -- als u alle ziekten kon laten verdwijnen, omdat we begrijpen hoe deze ziekten werken, als we een eind konden brengen aan honger, door voedzame, gezonde planten te maken die zelfs in extreme omstandigheden groeien, als we schone en voldoende energie konden creëren -- wij, in de labaratoria van Synthetic Genomics, hebben eencelligen die koolstofdioxide opnemen, en een molecuul maken dat heel erg op benzine lijkt. Dus, koolstofdioxide -- dat spul waar we vanaf willen -- geen suiker, niets meer. Koolstofdioxide, een beetje zonlicht, en je krijgt een hoog geraffineerd lipide. We kunnen energie problemen; we kunnen CO2 reduceren, we kunnen onze oceanen schoon krijgen; we kunnen betere wijn maken. Als we dat zouden kunnen, zouden we dat doen? Ik denk dat het antwoord heel erg simpel is: Met de natuur werken, met deze gereedschapskist die we nu begrijpen is de volgende stap in de evolutie van de mensheid.

Alles wat ik u kan aanraden is, blijf de komende 20 jaar gezond. Als u gezond kan blijven voor 20 jaar, wordt u 150 jaar oud, misschien 300.

Dank u wel.