Lee Cronin: A aduce materia la viață

Voi încerca în următoarele aproximativ 15 minute să vă povestesc despre o idee despre cum vom face ca materia să prindă viață. Acest lucru poate suna cam ambițios, dar când te uiți la tine însuți, te uiți la mâinile tale, realizezi că trăiești. Așadar acesta este un început. Această călătorie a început acum patru miliarde de ani pe planeta Pământ. Au trecut 4 miliarde de ani de viaţă organică, biologică. Şi, în calitate de chimist anorganic, prietenii şi colegii mei fac această distincţie între lumea organică, vie şi lumea anorganică, moartă. Ceea ce voi face este să vă prezint o idee despre cum putem transforma materia anorganică, moartă în materie vie, în biologia anorganică.

Aşadar, înainte să facem acest lucru, vreau să pun într-un fel biologia la locul ei. Şi sunt total vrăjit de către biologie. Îmi place foarte mult să fac biologie sintetică. Îmi plac lucrurile care trăiesc. Îmi place să manipulez infrastructura biologiei. Dar, în acea infrastructură, trebuie să ne amintim că forța motrică a biologiei vine de fapt de la evoluție. Iar evoluția, chiar dacă a fost descoperită în urmă cu peste 100 de ani de către Charles Darwin și un număr mare de alţi oameni, evoluția este totuși puțin cam intangibilă. Și, când vorbesc despre evoluția darwinistă, mă refer la un lucru și doar un singur lucru, iar acela este supraviețuirea celui mai puternic. Așa că uitați de evoluție într-un mod metafizic. Gândiți-va la evoluție în termeni de progenituri în concurenţă și unele câștigând.

Ţinând cont de asta, ca și chimist, aș fi vrut să mă întreb o nedumerire frustrată de către biologie: Care este cea mai mică unitate de materie care poate suferi evoluția darwinistă? Aceasta pare o întrebare destul de profundă. În calitate de chimişti, nu suntem obișnuiți să punem întrebări profunde în fiecare zi. Așa că atunci când m-am gândit la acest lucru, mi-am dat brusc seama că biologia ne-a dat răspunsul. Și, de fapt, cea mai mică unitate de materie care poate evolua independent este, de fapt, o singură celulă... o bacterie.

Aceasta ridică trei întrebări foarte importante: Ce este viața? Este biologia deosebită? Biologii par să creadă asta. Este materia evolutivă? Acum, dacă răspundem la acele întrebări în ordine inversă, a treia întrebare... este materia evolutivă? Dacă putem răspunde la asta, atunci putem ști cât de specială este biologia, și poate... doar poate, vom avea o idee despre ce este viața cu adevărat.

Aici este ceva viață anorganică. Acesta este un cristal mort. Îi voi face ceva și va prinde viață. Și veți putea vedea, că parcă polenizează, germinează, crește. Acesta este un tub anorganic. Toate aceste cristale de aici, de sub microscop, au fost moarte acum câteva minute și par vii. Bineînțeles, ele nu au viață. Este un experiment chimic unde am făcut o grădină de cristal. Dar când am văzut asta, am fost foarte fascinat, deoarece semăna cu o formă de viață. Mă voi opri câteva secunde, uitați-vă la ecran. Puteți vedea că acolo este arhitectura creșterii, care umple vidul. Iar asta este moartă. Așa că am fost convins că, dacă cumva putem face ca lucrurile să mimeze viața, să facem încă un pas. Hai să vedem dacă putem efectiv crea viață.

Dar există o problemă, deoarece acum aproape un deceniu ni s-a spus că viața este imposibilă și că noi am fost cel mai incredibil miracol din univers. De fapt, că noi am fi singurii oameni din univers. Asta e puțin cam plictisitor. În calitate de chimist, vroiam să spun, "Stați puțin. Ce se întâmplă aici? Chiar este viața atât de improbabilă?" Aceasta este adevărata întrebare. Cred că probabil evoluția primelor celule a fost la fel de posibilă ca evoluția stelelor. Și, de fapt, hai să facem acel pas mai departe. Să spunem că dacă fizica fuziunii este codată în univers, poate că fizica vieții este la fel. Și, astfel, problema cu chimiștii... și aceasta este un avantaj mare de asemenea... că nouă ne place să ne concentrăm pe elementele noastre. În biologie, carbonul are rolul principal. Iar într-un univers unde carbonul există și biologia organică, din asta avem această frumoasă diversitate de viață. De fapt, avem așa niște forme frumoase de viață pe care le putem modela. Suntem extrem de atenți în laborator să încercăm să evităm diverse riscuri biologice.

Deci cum stăm cu materia? Dacă putem face materia să prindă viață, am avea un risc al materiei? Gândiți-vă, aceasta este o întrebare serioasă. Dacă pixul vostru s-ar putea reproduce, asta ar fi o problemă. Așa că trebuie să gândim diferit dacă vom face ca lucrurile să prindă viață. Și, de asemenea, să fim conștienți de probleme. Dar înainte să putem crea viață, hai să ne gândim puțin de ce anume este caracterizată viața. Și iertați diagrama complicată. Aceasta este doar o colecție de căi în celulă. Iar celula este, bineînțeles, pentru noi un lucru fascinant. Biologii sintetici o manipulează. Chimiștii încearcă să studieze moleculele, să observe boala. Și uite așa avem toate aceste căi conectate în același timp. Aveți regulile; informația este transcrisă; catalizatorii sunt produși; lucrurile se întâmplă. Dar ce face o celulă? Păi, ea divide, ea concurează, ea supraviețuiește. Și cred că acolo trebuie să începem noi să ne gândim a construi din ideile noastre în viață.

Dar de ce anume mai este viața caracterizată? Păi, mie îmi place să cred ca e ca o flacără într-o sticlă. Și ce avem aici este o descriere a celulelor individuale care se reproduc, metabolizează, arzând prin chimii. Așadar, trebuie să înțelegem că dacă vom crea viață artificială sau vom înțelege originea vieții, trebuie să o alimentăm cumva. Și înainte să putem într-adevăr crea viață, trebuie să ne gândim serios de unde a venit. Iar Darwin însuși a insistat într-o scrisoare către un coleg că a crezut că viața probabil a apărut într-un eleșteu undeva ... poate nu în Scoția, poate în Africa, poate altundeva. Dar cel mai sincer răspuns este că noi chiar nu știm, deoarece este o problemă cu originea. Imaginați-vă că acum patru miliarde și jumătate de ani, a existat o vastă supă chimică de lucruri. Și din aceasta am apărut noi.

Când vă gândiți la natura improbabilă a ceea ce am să vă spun eu în următoarele minute, amintiți-vă doar, că noi am apărut din lucruri de pe Pământ. Și am trecut printr-o varietate de lumi. Oamenii care studiază ARN-ul ar discuta despre lumea ARN-ului. Noi am ajuns într-un fel la proteine si ADN. După care am ajuns la ultimul strămoș. Evoluția a întrat în scenă... și asta este partea interesantă. Și uite-ne aici. Dar există o piedică peste care nu poți trece. Poți decoda genomul, te poți uita înapoi, poți să ne legi pe toți laolaltă cu un ADN mitocondrial, dar nu putem ajunge mai departe la ultimul strămoș, ultima celulă vizibilă pe care o putem secvenționa sau să privim spre istorie. Deci nu știm cum putem ajunge acolo.

Atunci există două opțiuni: designul inteligent, direct și indirect... deci Dumnezeu, sau prietenul meu. Acum, a discuta despre E.T. că ne-a adus aici sau orice altă formă de viață, doar împinge problema mai departe. Nu sunt politician, sunt om de știință. Celălalt lucru la care trebuie să ne gândim este apariția complexității chimice. Aceasta pare cea mai probabilă. Și deci avem un fel de supă primordială. Și aceasta pare să fie o sursă bună a tuturor celor 20 de aminoacizi. Și, într-un fel, acești aminoacizi sunt combinați și viața începe. Viața începe... Ce înseamnă asta? Ce este viața? Ce este lucrul acela viață?

În anii 1950, Miller-Urey a făcut un experiment chimic fantastic de tip Frankenstein, unde au realizat echivalentul în lumea chimică. Au luat ingredientele de bază, le-au pus pe toate într-un singur borcan și le-au aprins și au pus sa treacă tensiune electrică. S-au uitat ce este în supă și au descoperit aminoacizii, dar nimic nu a rezultat din aceasta, nu era nicio celulă. Așadar toată zona a fost blocată o vreme și a fost reluată în anii '80, când tehnologiile analitice și tehnologiile computerizate apăreau.

În propriul meu laborator, modul în care încercăm să creăm viață anorganică este prin folosirea diferitelor formate reactante. Și ce vom face sunt reacții... dar nu într-o sticlă, ci în zeci de sticle și le conectăm pe toate laolaltă, după cum puteți vedea la acest sistem conectat, toate aceste tuburi. Putem să o facem microfluidizându-le, le putem face litografiindu-le, le putem face la o imprimantă 3D, le putem face în picături pentru colegi. Și elementul cheie este să ai multe chimii complexe care apar și reapar. Dar aceasta probabil va sfârși într-un eșec, așa că trebuie să fim puțin mai atenți.

Și răspunsul, bineînțeles, se afla la șoareci. Astfel îmi amintesc de ce am nevoie ca chimist. Spun, "Păi, eu vreau molecule" Dar am nevoie de un metabolism, am nevoie de niște energie. Am nevoie de niște informație și am nevoie de un container. Deoarece, dacă am nevoie de evoluție, am nevoie de containere ca să pot concura. Dacă ai un container, e ca și cum ai intra în mașina ta. "Asta e mașina mea, o voi conduce și mă voi lăuda cu ea." Și îmi imaginez că ai un lucru asemănător în biologia celulară cu apariția vieții. Aceste lucruri împreună ne oferă evoluție, probabil. Și modalitatea de a o testa în laborator este de a o face minimală.

Ce vom încerca să facem este să venim cu un set Lego anorganic de molecule. Uitați de moleculele de pe ecran, dar acestea reprezintă un set foarte simplu. Sunt prezente poate doar trei sau patru tipuri diferite de blocuri. Și le putem agrega laolaltă și să le facem practic mii și mii de molecule nanomoleculare mari de mărimea unui AND și a proteinelor, dar nu există nici urmă de carbon. Carbonul nu e bun. Și cu acest set Lego, avem diversitatea necesară pentru stocarea de informații complexe fără ADN. Dar trebuie să facem niște containere. Și chiar acum câteva luni în laboratorul meu am fost în stare să luăm aceste molecule asemănătoare și să facem celule cu ele. Și puteți vedea pe ecran o celulă în devenire. Și vom pune acum niște chimie înăuntru și vom face niște chimie în această celulă. Și tot ce vroiam să vă arăt este că putem alcătui molecule în membrane, în celule reale, după care se creează într-un fel de darwinism molecular, o supraviețuire moleculară a celor mai puternice.

Și acest film ne arată competiția dintre molecule. Moleculele concurează pentru materie. Ele sunt făcute din același material, dar vor să câștige forma lor. Vor ca forma lor să persiste. Și aceasta este cheia. Dacă putem cumva încuraja aceste molecule să vorbească una cu alta, să facă formele corect și să concureze, ele vor începe să formeze celule care se vor reproduce și se vor concura. Dacă reușim să facem asta, uitați de detaliul molecular.

Să ne dăm puțin în spate pentru a vedea ce poate însemna. Așadar, avem această teorie specială a evoluției care se aplică doar în biologia organică, pentru noi. Dacă am putea aduce evoluția în lumea materială, atunci propun să avem o teorie generală a evoluției. Și la asta chiar are rost să ne gândim. Controlează evoluția sofisticarea materiei în univers? Există vreo forță motrice prin evoluție care lasă materia să concureze? Asta înseamnă că putem atunci să începem să dezvoltăm diverse platforme pentru a explora această evoluție. Și imaginați-vă, dacă suntem în stare să creăm o formă de viață artificială auto-susținătoare, nu numai că aceasta ne va spune despre originea vieții, că este posibil ca universul nu are nevoie de carbon pentru a fi în viață; poate folosi orice... o putem duce un pas înainte și putem dezvolta noi tehnologii, deoarece putem după aceea să ne ajutăm de controlul prin software pentru a coda evoluția.

Imaginați-vă că facem o celulă mică. Vrem să o scoatem în mediu și vrem să funcționeze cu energie de la Soare. Ce vom face este să o introducem într-o cutie cu lumina aprinsă. Și nu mai folosim designul. Găsim ceea ce funcționează. Ar trebui să ne inspirăm din biologie. Biologiei nu îi pasă de design numai dacă funcționează. Aceasta va reorganiza felul în care creăm lucrurile. Dar doar atât, vom începe să ne gândim la cum putem începe să creăm o relație simbiotică cu biologia. Nu ar fi minunat dacă ați putea lua aceste celule artificiale și să le fuzionați cu celule biologice pentru a corecta probleme la care nu am putut face față? Adevărata problemă în biologia celulară este că noi nu vom înțelege niciodată totul, deoarece este o problemă multidimensională creată de evoluție. Evoluția nu poate fi separată. Îți trebuie să găsești cumva funcția de potrivire. Și realizarea profundă pentru mine este aceea că, dacă aceasta funcționează, conceptul genei egoiste este dusă un nivel mai sus și începem într-adevăr să discutăm despre materie egoistă.

Și ce înseamnă aceasta într-un univers unde suntem acum cea mai mare formă de materie? Voi stați pe scaune. Ele sunt neînsuflețite, ele nu trăiesc. Dar voi sunteți făcuți din materie, folosiți materia și înrobiți materia. Așadar, folosirea evoluției în biologie și în biologia organică, pentru mine este destul de interesant, destul de incitant. Și chiar ajungem foarte aproape să înțelegem pașii cheie care fac ca materia moartă să prindă viață. Și iarăși, când vă gândiți cât de improbabil este acest lucru, amintiți-vă, acum 5 miliarde de ani, noi nu existam și nu exista nici viață. Și ce ne va spune asta

despre originea vieții și sensul ei? Căci probabil, pentru mine ca și chimist, doresc să stau departe de termeni generali; vreau să mă gândesc la specificități. Și ce înseamnă aceasta în a defini viața? Noi chiar ne străduim să facem asta. Și mă gândesc, dacă putem face biologie anorganică, și putem face materia să devină evolutivă, aceasta va defini de fapt viața. Vă propun ca materia care poate evolua este în viață și aceasta ne dă ideea de a face materia evolutivă.

Mulțumesc!

(Aplauze)

Chris Anderson: Doar o scurtă întrebare despre termen. Tu crezi că vei avea succes în acest proiect? Când?

Lee Cronin: Multă lume crede că au durat mulți ani ca viața să apară. Noi propunem să facem acest lucru în câteva ore, odată ce am pus la punct chimia corectă.

CA: Și când crezi că se va întâmpla asta?

LC: Sperăm că în următorii doi ani.

CA: Aceasta ar fi o poveste interesanta. (Râsete) În sinea ta, care crezi că ar fi șansele ca plimbându-se pe altă planetă să fie viaţă nebazată pe carbon care există sau vegetează sau ceva?

LC: Eu cred că este 100%. Deoarece, noi suntem atât de șoviniști cu biologia, că dacă ai lua carbonul, sunt alte lucruri ce se pot întâmpla. Iar celălalt lucru dacă am putea să creăm viață care nu este bazată pe carbon, am putea spune agenţiei NASA ce anume să caute. Nu te duce să cauţi carbon, caută materia care evoluează.

CA: Lee Cronin, mult succes. (LC: Mulțumesc mult.)

(Aplauze)