5 challenges we could solve by designing new proteins | David Baker

المترجم: Ayman Hosny المدقّق: Nada Qanbar

I'm going to tell you about the most amazing machines in the world

سأخبركم عن أغرب ماكينات في العالم.

and what we can now do with them.

وما بوسعنا الآن فعله معها.

Proteins,

البروتينات،

some of which you see inside a cell here,

بعضًا مما ترون داخل خليّة هنا،

carry out essentially all the important functions in our bodies.

إنها تضطلع بصفة أساسية بكل الوظائف المهمة في أجسامنا.

Proteins digest your food,

البروتينات تهضم طعامك،

contract your muscles,

تمشّق عضلاتك،

fire your neurons

تحفّز أعصابك،

and power your immune system.

تقوّي جهازك المناعي.

Everything that happens in biology --

كل شيء يحدث في علم الأحياء...

almost --

على الأغلب...

happens because of proteins.

يحدث بسبب من البروتينات.

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

البروتينات هي سلاسل طولية تتشكل من وحدات بنائية تدعى الأحماض الأمينية.

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

في الطبيعة ألفبائية، تتكوّن من 20 حمضًا أمينيـًا.

some of which have names you may have heard of.

البعض منها ربما سمعت به.

In this picture, for scale, each bump is an atom.

على سبيل القياس، في هذه الصورة، كل نتوء عبارة عن ذرة.

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

القوى الكيميائية بين الأحماض الأمينية تخلّف هذه الجزيئات القويّة الطويلة

to fold up into unique, three-dimensional structures.

لتلتئم في أشكال فريدة وثلاثية الأبعاد.

The folding process,

عملية الالتئام،

while it looks random,

بينما تبدو عشوائية،

is in fact very precise.

في الحقيقة هي غاية في الدقة والإحكام.

Each protein folds to its characteristic shape each time,

في كل مرة، يلتئم كل بروتين مع المُناظِر له في الخواص

and the folding process takes just a fraction of a second.

وعملية الالتئام تأخذ فقط جزءًا من الثانية.

And it's the shapes of proteins

وتكوينها للبروتينات

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

الذي يمكّنها من الاضطلاع بوظائفها الحيوية المهمة.

For example,

على سبيل المثال،

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

الهِيمُوغْلُوبِين له شكلٌ في الرئتين ملائم تمامًا

for binding a molecule of oxygen.

لربط جزيء من الأكسجين.

When hemoglobin moves to your muscle,

حين ينتقل الهيموغلبين إلى عضلاتك،

the shape changes slightly

يتغير الشكل بوضوح

and the oxygen comes out.

ويخرج الأكسجين.

The shapes of proteins,

أشكال البروتينات،

and hence their remarkable functions,

ومن ثمّ وظائفها المهمة،

are completely specified by the sequence of amino acids in the protein chain.

تتحدد كليًا من خلال اصطفاف الأحماض الأمينية داخل سلسلة البروتين.

In this picture, each letter on top is an amino acid.

في هذه الصورة، كل وحدة في الأعلى هي لحمض أميني.

Where do these sequences come from?

أين تبدأ الاصطفافات؟

The genes in your genome specify the amino acid sequences

الجينات في سلسلتك الوراثية (الجينوم) تحدد نطاقات الحمض الأميني

of your proteins.

للبروتينات الخاصة بك.

Each gene encodes the amino acid sequence of a single protein.

كل جين يرمُز لنطاق الحامض الأميني لكل بروتين مستقل.

The translation between these amino acid sequences

إن التحوّل بين نطاقات الحامض الأميني هذه

and the structures and functions of proteins

وبين بنيوياتها، وبين مهام البروتينات

is known as the protein folding problem.

تُعرف بمشكلة التئام البروتين.

It's a very hard problem

إنها مشكلة صعبة للغاية

because there's so many different shapes a protein can adopt.

لأن هنالك أشكالًا عدة متباينة يمكن أن يتخذها البروتين.

Because of this complexity,

بسبب هذا التعقيد،

humans have only been able to harness the power of proteins

يصبح البشريون قادرين على الاستغلال الأمثل لقوة البروتينات

by making very small changes to the amino acid sequences

من خلال تعديلات بسيطة جدًا لنطاقات الحامض الأميني

of the proteins we've found in nature.

للبروتين في صورته الطبيعية.

This is similar to the process that our Stone Age ancestors used

هذا شبيه بالعملية التي كان أسلافنا في العصر الحجري يستخدمونها

to make tools and other implements from the sticks and stones

لصناعة الأدوات والأغراض الأخرى من القضبان والأحجار

that we found in the world around us.

التي نكتشفها في أنحاء العالم.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

لكنّ البشر لم يتعلموا الطيران بإجراء تعديل في الطيور.

(Laughter)

(ضحك)

Instead, scientists, inspired by birds, uncovered the principles of aerodynamics.

عوضًا عن ذلك، العلماء، وبوحي من الطيور، توصلوا إلى مبادئ الديناميكا الهوائية.

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

ثم استخدم المهندسون تلك المبادئ لتصميم آلات الطيران.

In a similar way,

وعلى نحو مشابه،

we've been working for a number of years

فإننا نعمل لعدد من السنين

to uncover the fundamental principles of protein folding

لكشف المبادئ الأساسية لالتئام البروتين

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

وترميز تلك المبادئ في برنامج حاسوبي يُدعى (روزيتا).

We made a breakthrough in recent years.

لقد حققنا طفرة في السنين الأخيرة.

We can now design completely new proteins from scratch on the computer.

نستطيع الآن تصميم بروتينات جديدة بالكامل على الحاسوب من خلال مسحة.

Once we've designed the new protein,

بمجرد تصميم البروتين الجديد،

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

فإننا نرمُز لنطاق حامضِهُ الأميني في جين اصطناعي.

We have to make a synthetic gene

علينا أن ننجز جينًا اصطناعيًا

because since the protein is completely new,

لأنه، وبمجرد أن يصير البروتين بالكامل جديدًا،

there's no gene in any organism on earth which currently exists that encodes it.

فلن يتواجد أي جين في أي عضو حيوي على الأرض من الموجود حاليًا.

Our advances in understanding protein folding

إن إحرازنا لتقدّمات في فهم عملية التئام البروتين،

and how to design proteins,

وكيفية تصميم البروتينات،

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

يتلازمان مع التقليل من كُلفة اصطناع الجين

and the Moore's law increase in computing power,

وقانون (مور) يُزيد من قوة الحوسبة،

now enable us to design tens of thousands of new proteins,

الآن، يُعطينا القدرة على تصميم عشرات الآلاف من البروتينات الجديدة،

with new shapes and new functions,

مع الأشكال الجديدة والوظائف الجديدة،

on the computer,

على الحاسوب،

and encode each one of those in a synthetic gene.

وترميز كل واحد من تلك في جين اصطناعي.

Once we have those synthetic genes,

بمجرد أن نملك تلك الجينات الاصطناعية

we put them into bacteria

نضعها في بكتريا

to program them to make these brand-new proteins.

من أجل برمجتها، وتصنيع هذه البروتينات ذات "العلامة التجارية الجديدة."

We then extract the proteins

ثم نستخلص البروتينات

and determine whether they function as we designed them to

ونقرر ما إذا كانت تعمل على نحو ما صممناها

and whether they're safe.

وما إذا كان آمنة.

It's exciting to be able to make new proteins,

إنه لمن المثير أن تكون قادرًا على صنع بروتينات جديدة

because despite the diversity in nature,

لأنه وعلى الرغم من التنوع في الطبيعة،

evolution has only sampled a tiny fraction of the total number of proteins possible.

فإن التطور يتنمّط في جزء ضئيل من عدد إجمالي للبروتينات

I told you that nature uses an alphabet of 20 amino acids,

لقد أخبرتكم أن الطبيعة تستخدم ألفبائية من 20 حامضًا أمينيًا،

and a typical protein is a chain of about 100 amino acids,

وأن البروتين القياسي عبارة عن سلسلة من حوالي 100 حامض أميني،

so the total number of possibilities is 20 times 20 times 20, 100 times,

ولذلك فإن الرقم الإجمالي من الاحتمالات يتكون من 20 مرة من 20 مرة لـ20 100 مرة،

which is a number on the order of 10 to the 130th power,

وهو عدد لنظام من 10 إلى القوة الـ130،

which is enormously more than the total number of proteins

وهو أضخم من العدد الإجمالي للبروتينات

which have existed since life on earth began.

الذي يتواجد منذ أن بدأ كوكب الأرض.

And it's this unimaginably large space

وهذا الفضاء غير المُتصوَر

we can now explore using computational protein design.

نستطيع الآن اكتشافه باستخدام تصميم البروتين الحاسوبي.

Now the proteins that exist on earth

الآن، البروتينات الموجودة على الأرض

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

تطورت لمعالجة المشاكل التي تواجه التطور الطبيعي.

For example, replicating the genome.

كمثال، تكرار الجينوم (الشفرة الوراثية).

But we face new challenges today.

ولكننا اليوم نواجه تحديات جديدة.

We live longer, so new diseases are important.

نعيش مدة أطول؛ لذلك فإن الأمراض الجديدة ذات أهمية.

We're heating up and polluting the planet,

نحن نرفعُ من درجة حرارة الأرض، ونلوّث الكوكب،

so we face a whole host of ecological challenges.

لذلك نحن نواجه مجموعة هائلة من التحديات البيئية.

If we had a million years to wait,

إذا كان لدينا مليون سنة أخرى،

new proteins might evolve to solve those challenges.

لعل البروتينات الجديدة تتطور لمعالجة تلك التحديات.

But we don't have millions of years to wait.

ولكنّا لا نملك ملايين من السنين حتى ننتظر.

Instead, with computational protein design,

في المقابل، ومع تصميم البروتين الحاسوبي،

we can design new proteins to address these challenges today.

فإننا نستطيع تصميم بروتينات جديدة لمعالجة هذه التحديات اليوم.

Our audacious idea is to bring biology out of the Stone Age

إن فكرتنا الجريئة تتمحور في نقل علم الأحياء خارج مجال العصر الحجري

through technological revolution in protein design.

من خلال الثورة التكنولوجية في تصميم البروتينات.

We've already shown that we can design new proteins

لقد أثبتنا بالفعل أن بمقدورنا تصميم بروتينات جديدة

with new shapes and functions.

مع أشكال ووظائف جديدة.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

على سبيل المثال، تعمل اللقاحات بواسطة تنشيط جهازك المناعي

to make a strong response against a pathogen.

لتوليد استجابة قوية ضد مُسَبِب المرض.

To make better vaccines,

ولتركيب لقاحات أكثر فعالية،

we've designed protein particles

صممنا جسيمات البروتين

to which we can fuse proteins from pathogens,

بحيث نستطيع دمج البروتينات من مسببات المرض،

like this blue protein here, from the respiratory virus RSV.

مثل هذا البروتين الأزرق هنا، من فيروس الجهاز التنفسي (آر. إس. في).

To make vaccine candidates

لاقتراح ترشيحات لقاحية

that are literally bristling with the viral protein,

التي هي حرفيًا تتعاضد مع البروتين الفيروسي،

we find that such vaccine candidates

نتوصل إلى مثل ترشيحات اللقاح تلك

produce a much stronger immune response to the virus

نولّد استجابة مناعية قوية جدًا إزاء الفيروس

than any previous vaccines that have been tested.

عن أي لقاحات سابقة كانت قد اختُبرت من قبل.

This is important because RSV is currently one of the leading causes

إن هذا مهم للغاية؛ لأن فيروس (آر. إس. في) هو حاليًا واحد من أهم مسببات

of infant mortality worldwide.

وفيات الرُضّع حول العالم.

We've also designed new proteins to break down gluten in your stomach

كذلك صمّمنا بروتينات جديدة لتبديد الغلوتين في الأمعاء

for celiac disease

لمواجهة الاضطرابات الهضمية

and other proteins to stimulate your immune system to fight cancer.

وبروتينات أخرى لتحفيز جهازك المناعي ضد السرطان

These advances are the beginning of the protein design revolution.

هذه المميزات هي بداية لثورة تصميم البروتين.

We've been inspired by a previous technological revolution:

لقد كانت الثورة التكنولوجية مصدرًا لإلهامنا:

the digital revolution,

الثورة الرقمية،

which took place in large part due to advances in one place,

التي انطلقت على نطاق واسع بسبب إحراز تطورات في مكان واحد،

Bell Laboratories.

معامل (بيل)

Bell Labs was a place with an open, collaborative environment,

إن معامل (بيل) عبارة عن مكان مع بيئة مواتية وحرّة،

and was able to attract top talent from around the world.

وقابلة لجذب المواهب الفذة من أنحاء العالم.

And this led to a remarkable string of innovations --

وهذا يقود إلى نطاق بارز من المخترعات...

the transistor, the laser, satellite communication

الترانزيستور، والليزر، واتصال الأقمار الاصطناعية

and the foundations of the internet.

والأساسات الخاصة بالأنترنت.

Our goal is to build the Bell Laboratories of protein design.

إن هدفنا هو بناء معامل (بيل) لتصميم البروتين.

We are seeking to attract talented scientists from around the world

إننا نبحث عن جذب علماء موهوبين من أنحاء العالم

to accelerate the protein design revolution,

لتسريع ثورة تصميم البروتين،

and we'll be focusing on five grand challenges.

ولنصبح أكثر تركيزًا على تحديات خمسة كبرى.

First, by taking proteins from flu strains from around the world

الأول، بأخذ بروتينات من سلالات الأنفلونزا من أنحاء العالم

and putting them on top of the designed protein particles

ووضعها في الصدارة من جسيمات البروتين المُصمّمَة

I showed you earlier,

لقد أبَنتُ لكم من قبل،

we aim to make a universal flu vaccine,

إننا نهدف إلى تصنيع لقاح عالمي للأنفلونزا،

one shot of which gives a lifetime of protection against the flu.

جرعة واحدة تعطي حصانة مدى العمر ضد الأنفلونزا.

The ability to design --

إن القدرة على تصميم...

(Applause)

(تصفيق)

The ability to design new vaccines on the computer

إن القدرة على تصميم لقاح جديد على الحاسوب

is important both to protect against natural flu epidemics

مهمة لكلٍ من التحصين ضد الموجات الوبائية من الأنفلونزا

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

بالإضافة إلى أعمال الإرهاب الدولي البيولوجي.

Second, we're going far beyond nature's limited alphabet

الثاني، هو أننا بصدد الذهاب بعيدًا وراء الألفبائية الطبيعية المحدودة

of just 20 amino acids

ذات الـ20 حامضًا أمينيًا فقط

to design new therapeutic candidates for conditions such as chronic pain,

لتصميم ترشيحات دوائية جديدة لحالات مثل الآلام المزمنة،

using an alphabet of thousands of amino acids.

باستخدام ألفبائية لآلاف من الأحماض الأمينية.

Third, we're building advanced delivery vehicles

الثالث، نحن نبني وسائل توصيل متقدمة

to target existing medications exactly where they need to go in the body.

لتوجيه الأدوية القائمة بدقة إلى حيث الأماكن التي تحتاج الوصول إليها في الجسم.

For example, chemotherapy to a tumor

مثلا، العلاج الكيميائي إلى ورم

or gene therapies to the tissue where gene repair needs to take place.

أو علاج الجينات للأنسجة حيث يجب إجراء إصلاح للجينات.

Fourth, we're designing smart therapeutics that can do calculations within the body

الرابع، أننا بصدد تصميم علاجات جديدة بوسعها إجراء عمليات حسابية داخل الجسم،

and go far beyond current medicines,

الانطلاق بعيدًا وراء العلوم الطبية الحالية

which are really blunt instruments.

التي هي في الواقع عبارة عن آلات حادة.

For example, to target a small subset of immune cells

على سبيل المثال، لاستهداف فرع صغير من خلايا مناعية

responsible for an autoimmune disorder,

مسئولة عن اضطراب المناعة الذاتية،

and distinguish them from the vast majority of healthy immune cells.

وفرزها عن الغالبية العظمى من الخلايا المناعية السليمة.

Finally, inspired by remarkable biological materials

أخيرًا، بإلهام من المواد الحيوية البارزة

such as silk, abalone shell, tooth and others,

مثل الحرير، وصدفة أذن البحر (كائن بحري)، والأسنان، وغيرها،

we're designing new protein-based materials

إننا بصدد تصميم بروتينات جديدة مستمدة من العناصر

to address challenges in energy and ecological issues.

للتعامل مع التحديات في الطاقة وفي القضايا البيئية.

To do all this, we're growing our institute.

من أجل هذا كله، إننا نعمل على تنمية معهدنا.

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

نسعى لاجتذاب علماء ذوي مواهب، وتنوّع، ومفعمين بالطاقة

from around the world, at all career stages,

من أنحاء العالم، في شتى المسارات الوظيفية،

to join us.

للحاق بنا،

You can also participate in the protein design revolution

إنك أيضًا بمقدورك المساهمة في ثورة تصميم البروتين

through our online folding and design game, "Foldit."

من خلال لعبتنا الخاصة بالالتئام، على الانترنت، (فولديت).

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

أو عبر مشروعنا الحاسوبي المنتشر، (Rosetta@home)،

which you can join from your laptop or your Android smartphone.

بحيث يكون بمقدورك اللحاق بنا من حاسوبك النقال أو من هاتفك الذكي.

Making the world a better place through protein design is my life's work.

إن جعل العالم مكانًا أفضل من خلال تصميم البروتين هو شغل حياتي.

I'm so excited about what we can do together.

أنا متحمسٌ بشأن ما يمكننا فعله سويًا.

I hope you'll join us,

أتمنى أن تلحقوا بنا جمعيًا،

and thank you.

وشكرًا لكم.

(Applause and cheers)

(تصفيق وهتاف)