Craig Venter este pe punctul de a crea viață sintetică

Am mai vorbit despre unele dintre aceste proiecte, despre genomul uman și ce ar putea el să reprezinte, și despre descoperirea unor noi seturi de gene. Acum începem, de fapt, de la un nou punct: am digitizat biologia, și acum încercăm să pornim de la acest cod digital și să intrăm într-o nouă fază a biologiei, modelând și sintetizând forme de viață.

Am încercat tot timpul să ne punem întrebări importante. "Ce este viața?" e ceva ce cred că mulți biologiști au încercat să înțeleagă la diverse niveluri. Am încercat diferite abordări, simplificând viața la componentele de bază. Digitizăm deja de aproape 20 ani. Când am secvenționat genomul uman, acesta a plecat din lumea analogică a biologiei în lumea digitală a calculatorului. Acum încercăm să întrebăm: putem regenera viata, sau putem crea noi forme de viață, din acest univers digital?

Aceasta este harta unui organism mic, Mycoplasma genitalium, care are cel mai mic genom pentru o specie care se poate replica singura in laborator. Noi am încercat să vedem dacă putem sa venim cu un genom și mai mic. Am reușit să suprimăm de ordinul unei sute de gene din cele în jur de 500 care sunt acolo. Dar, când ne uităm la lui harta metabolică, e destul de simplă în comparație cu a noastră. Credeți-mă, asta e simplu. Dar când ne uităm la toate genele pe care le putem suprima la un moment dat, este puțin probabil ca asta să producă o celulă vie. Așa că am decis că singura cale înainte este ca de fapt să sintetizăm acest cromozom, în așa fel încât să putem varia componentele pentru a adresa unele din cele mai fundamentale întrebări. Și așa am început pe drumul catre, "Putem sintetiza un cromozom?" Poate chimia permite sintetizarea acestor molecule foarte mari pe care nu le-am mai făcut vreodată? Și, dacă da, putem activa un cromozom? Un cromozom, apropo, este doar o bucată de material chimic. Deci, viteza noastră de a digitiza viața a crescut la un ritm exponential.

Abilitatea noastră de a scrie cod genetic se mișcă destul de încet, dar a crescut. Ultima dată a ajuns la o curbă exponențială. Am început asta acum mai bine de 15 ani. Am trecut prin câteva etape, începând, de fapt, cu o examinare bio-etică înainte de a face primele experimente. Dar, se dovedește că sintetizarea ADN-ului este foarte dificilă. Sunt zeci de mii de mașinarii în lume care fac bucăți mici de ADN, lungi de 30 până la 50 de litere, dar este un proces degenerativ, așa că de ce construiești o bucată mai lungă, cu atat mai multe erori apar. Așa că a trebuit să creăm o metodă noua pentru a pune aceste bucăți mici împreună și a corecta toate erorile.

Aceasta a fost prima noastră tentativă, pornind de la informația digitală, de a sintetiza genomul lui Phi X 174. E un virus mic care omoară bacterii. Am făcut design-ul bucăților, am trecut prin corectarea erorilor, și am obținut o moleculă de ADN de numai aproximativ 5000 de litere. Partea interesanta a venit când am luat aceasta bucată de material chimic inert și am pus-o in bacterie, iar bacteria a început să citească acest cod genetic, și să producă părțile virusului. Particulele virale au fost apoi eliberate din celule și s-au întors și au omorât celulele de E. coli. Vorbeam cu industria petrolului de curând și ziceau că înțeleg foarte clar acest model.

(Râsete)

Ei au râs mai mult decât voi.

Și așa credem că asta e o situație în care software-ul își poate construi propriul hardware într-un sistem biologic. Dar am vrut să facem ceva mai mare. Am vrut să construim întregul cromozom al unei bacterii. Acesta este de peste 580.000 de litere de cod genetic. Așa că am zis să punem perechile de litere în casete de mărimea virusurilor pentru a putea, de fapt, varia mărimea casetelor încât să înțelegem care sunt componentele reale ale unei celule vii. Design-ul este critic, iar dacă începi cu informația digitală din calculator, acea informație trebuie să fie foarte exactă. Când am secvenționat prima dată acest genom in 1995, standardul de precizie era de o eroare la 10.000 de perechi de baze. Am găsit, în urma resecvenționării, 30 de erori. Dacă am fi folosit secvența originală, aceasta nu ar fi putut niciodată să fie activată. Parte din design este proiectarea unor bucăți, care are lungimea de 50 de litere, care trebuie sa se suprapuna cu toate celelalte bucăți de 50 de litere pentru a construi sub-unități mai mici trebuie să proiectăm astfel încât bucățile să fie compatibile unele cu altele. Proiectăm elemente unice.

Poate ați citit că am pus "watermarks" in casete. (n.t semne distinctive pentru recunoasterea originalului de copii) Gândiți-vă la asta: avem un cod genetic alcătuit din patru litere: A, C, G și T. Triplete din acele litere-- acele litere codifică aproximativ 20 de amino acizi-- o singură literă desemnează fiecare amino acid. Așa că putem folosi codul genetic pentru a scrie cuvinte, propoziții, gânduri. Inițial, tot ce am făcut a fost să autografiem codul. Unii au fost dezamăgiți că nu e poezie. Am proiectat acele bucăți astfel încât să le putem digera cu enzime. Sunt enzime care le repară și le unesc. Așa că am început să facem bucățile, începând cu bucăți de 5 până la 7.000 de litere, potrivindu-le pe acestea să facem bucăți de 24.000 de litere, și apoi punând seturi din acestea laolaltă, mergând până la 72.000.

La fiecare etapă, am înmulțit aceste bucăți din abundență pentru a le putea secvenționa, întrucât încercăm să creăm un proces extrem de robust - după cum veți vedea într-un minut. Încercăm să ajungem la acel punct de automatizare. Deci, asta arată ca un teren de basket. Când ajungem la piese foarte mari, de peste 100.000 de perechi de baze, nu mai cresc asa usor în E. coli. Epuizează toate uneltele biologiei moleculare moderne. Așa că ne-am îndreptat spre alte mechanisme. Știam că există un mecanism numit recombinare omoloagă, pe care biologia il folosește să repare ADN, și care unește bucăți. Acesta este un exemplu. Există un organism numit Deinococcus radiodurans care poate suporta milioane de razi de radiație.

După cum vedeți în panoul de sus, cromozomul lui este distrus în bucăți. 12 până la 24 de ore mai târziu, l-a pus din nou laolaltă asa cum era la inceput. Avem mii de organisme care pot face asta. Aceste organisme pot fi desecate total. Pot să trăiască în vid. Eu sunt absolut sigur că viața poate să existe în spațiul extraterestru, să se miște, să găseacă un nou mediu umed. De fapt, NASA a arătat că asta se întamplă acolo.

Aici este un micrografic al unei molecule pe care am construit-o folosind aceste procese - de fapt folosind doar mechanismele drojdiei cu design-ul adecvat al pieselor pe care le-am pus înăuntru. Drojdia le pune împreună automat. Aceasta nu este o imagine de la un microscop cu electroni, ci doar un foto-micrografic obișnuit. E așa o moleculă mare, încât o putem vedea cu un microscop optic. Acestea sunt imagini colectate peste o perioadă de aproximativ 6 secunde.

Asta este o publicație pe care am avut-o acum puțin timp. Acestea sunt peste 580.000 de litere de cod genetic. Este cea mai mare moleculă făcută vreodată de oameni, cu o structură definită. Are o masă moleculară de peste 300 de milioane. Dacă o printăm cu un font de 10 și fără spații, ia 142 de pagini să printezi acest cod genetic. Deci, cum pornim un cromozom? Cum îl activăm? Evident, cu un virus e destul de ușor. Dar este mult mai complicat să lucrezi cu bacterii. Este, de asemenea, mai ușor când ajungi la eucariote, ca noi: poți doar să scoți nucleul și să pui altul, și asta este ceva ce toți ați auzit - clonarea. Cu bacteriile archaea, cromozomul este integrat în celulă, dar am arătat de curând că putem face un transplant complet al unui cromozom, de la o celulă la alta, și îl putem activa. Am purificat un crozom de la una din speciile microbiale. Acestea doua sunt aproximativ la fel de distante ca oamenii și șoarecii. Am adăugat câteva gene în plus ca să putem selecta pentru acest cromozom. L-am digerat cu enzime pentru a omorî toate proteinele. Și a fost destul de uluitor când l-am pus în celulă - veți aprecia graficele noastre foarte sofisticate - iar cromozomul a intrat în celulă. De fapt, am crezut că asta e cât de departe se poate merge, dar am încercat să proiectăm procesul ceva mai departe.

Acesta este un mecanism major al evoluției. Găsim tot felul de specii care au încorporat un al doilea cromozom, sau un al treilea, din altă parte, adăugând speciei respective, mii de noi caracteristici într-o secundă. Deci cei care se gândesc la evoluție doar ca o singură genă schimbându-se la un moment dat au pierdut mult din biologie.

Sunt enzime, numite enzime de restricție, care de fapt digeră ADN. Cromozomul care era în celulă nu o are. Celula - cromozomul pe care l-am pus noi - le are. A fost exprimat și a recunoscut celălalt cromozom ca material străin, l-a digerat, și așa am ajuns doar cu celula cu cromozomul cel nou. A devenit albastră din cauza genelor pe care le-am pus în cromozom. Și, după o perioadă foarte scurtă de timp, toate caracteristicile unei specii s-au pierdut, și s-a convertit total într-o specie nouă, bazată pe software-ul pe care l-am pus în celulă. Toate proteinele au fost schimbate, membranele au fost schimbate - când citim codul genetic, este exact ceea ce am transferat.

Asta poate suna ca alchimie genomică, dar putem, mutând software-ul ADN, să schimbăm lucrurile destul de dramatic. Acum, am susținut că asta nu este geneză - ci a construi pe trei miliarde de ani și jumătate de evoluție; și am susținut că poate suntem pe cale de a crea o nouă versiune a exploziei Cambriane, în care are loc o nouă speciere masivă, bazată pe design digital.

De ce să facem asta? Cred că este destul de evident din punct de vedere al unor nevoi. Suntem pe cale să mergem de la șase și jumătate la nouă miliarde de oameni peste 40 de ani. Ca să pun asta în context pentru mine însumi: eu m-am născut în 1946. Acum sunt trei oameni pe planetă pentru fiecare dintre noi care existau în 1946; în 40 de ani, vor fi patru. Avem probleme hrănind, furnizând apă potabilă, medicamente, combustibil celor șase miliarde și jumătate. Va fi dificil să o facem pentru nouă. Folosim peste 5 miliarde de tone de cărbuni, mai mult de 30 de miliarde de barili de petrol. Asta înseamnă o sută de milioane de barili pe zi. Când vom încerca să ne gândim la procese biologice sau la orice proces care să înlocuiască asta, va fi o provocare imensă. Apoi, desigur, este tot acel CO2 de la acest material, care ajunge în atmosferă.

Acum, de la descoperirile noastre din jurul lumii, avem o bază de date cu peste 20 de milioane de gene, și îmi place să mă gândesc la acestea ca la componentele design-ului din viitor. Industria electronicelor are doar o duzină, sau așa ceva, de componente, și iată diversitatea care a ieșit din asta. Suntem limitați aici, în primul rând, de o realitate biologică și de imaginația noastră. Avem acum tehnicile, datorate acestor metode rapide de sinteză, să facem ceea ce noi numim, combinatorică genimică. Avem abilitatea de a construi un robot mare care să facă un milion de cromozomi pe zi. Când te gândești să procesezi aceste 20 de milioane de gene diferite, sau să încerci să optimizezi procese de a produce octan, sau produse farmaceutice, vaccinuri noi, putem schimba, doar cu o echipă mică, să facem mai multă biologie moleculară decât ultimii 20 de ani din toată știința. Și asta e doar selecție standard. Putem selecta pentru viabilitate, producție de substanțe chimice sau de combustibili, producție de vaccinuri, et cetera.

Aceasta este o captură de ecran al unui software de design la care lucrăm, pentru a putea să ne așezăm și să lucrăm la aceste specii în calculator. Știți, nu știm neapărat cum va arăta. Știm exact cum arată codul lor genetic. Acum ne concentrăm pe combustibili de a patra generație. Ați văzut recent că din porumb la etanol este doar un experiment nereușit. Avem combustibili de generația a doua și a treia care vor apărea destul de curând, care sunt zaharuri, la combustibili de mai mare valoare ca octanul sau tipuri diferite de butanol.

Dar singurul mod în care credem că biologia poate avea un impact major fără a crește mai mult costul alimentelor și fara a limita disponibilitatea lor este dacă începem cu CO2 ca materie prima, și lucrăm pentru a proiecta celule pentru acest scop, și credem că vom avea primii combustibili de generația a patra în aproximativ 18 luni. Lumină solară și CO2 este o metodă - (Aplauze) - dar in descoperirile noastre din jurul lumii avem tot felul de alte metode.

Acesta este un organism pe care l-am descris în 1996. Trăiește în adâncul oceanului, aproximativ doi kilometri și jumătate în adâncime, la temperaturi apropiate de fierbere. Transformă CO2 în metan utilizând hidrogen molecular ca sursă de energie. Încercăm să vedem dacă putem lua CO2 capturat, care poate fi ușor transportat în țevi, și să convertim acel CO2 înapoi în combustibil, pentru a conduce acest proces.

Deci într-o perioadă scurtă de timp, credem că am putea mări ceea ce este întrebarea de bază "Ce este viața?" Noi într-adevăr, știți - avem obiective modeste de a înlocui întreaga industrie petro-chimică.

(Râsete)(Aplauze)

Da. Dacă nu poți face asta la TED, unde în altă parte?

(Râsete)

Să devină o sursă majoră de energie. Dar deasemenea, lucrăm acum să folosim aceste aceleași surse pentru a inventa seturi de vaccinuri imediat. Ați văzut anul acesta cu gripa, suntem mereu cu un an în urmă și un dolar în minus când vine vorba de vaccinul potrivit. Cred că situația poate fi schimbată construind vaccinuri combinatorice dinainte. Iată cum ar putea să înceapă să arate viitorul schimbând acum arborele evoluției, accelerând evoluția cu bacterii sintetice, archea, și, în final, eukariote. Suntem aproape să îmbunătățim oameni. Obiectivul nostru este doar să ne asigurăm că avem o șansă să supraviețuim destul de îndelungat pentru a putea face asta. Vă mulțumesc foarte mult.

(Aplauze)