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

Übersetzung: Elvira Pross Lektorat: Andreas Herzog

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

Ich werde Ihnen von den erstaunlichsten Maschinen der Welt erzählen

und was wir mit ihnen tun können.

and what we can now do with them.

Proteins,

Proteine,

some of which you see inside a cell here,

von denen Sie hier einige in einer Zelle sehen,

carry out essentially all the important functions in our bodies.

führen im Grunde alle wichtigen Funktionen in unserem Körper aus.

Proteins digest your food,

Proteine verdauen Ihr Essen,

contract your muscles,

kontraktieren Ihre Muskeln,

fire your neurons

erregen Ihre Neuronen

and power your immune system.

und treiben Ihr Immunsystem an.

Everything that happens in biology --

Alles was in der Biologie passiert --

almost --

fast alles --

happens because of proteins.

passiert dank Proteinen.

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

Proteine sind lineare Ketten aus Bausteinen namens Aminosäuren.

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

Die Natur nutzt ein Alphabet aus 20 Aminosäuren,

some of which have names you may have heard of.

deren Namen Sie vielleicht schon mal gehört haben.

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

In diesem Bild, als Maßstab, stellt jeder Hubbel ein Atom dar.

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

Chemische Kräfte zwischen den Aminosäuren falten diese Molekülketten

to fold up into unique, three-dimensional structures.

zu einzigartigen, dreidimensionalen Strukturen.

The folding process,

Der Faltprozess,

while it looks random,

obwohl er zufällig scheint,

is in fact very precise.

ist in Wirklichkeit sehr präzise.

Each protein folds to its characteristic shape each time,

Jedes Protein faltet sich jedes Mal zu seiner charakteristischen Form,

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

und der Faltprozess dauert nur den Bruchteil einer Sekunde.

And it's the shapes of proteins

Und es sind die Formen der Proteine,

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

die es erlauben, diese bemerkenswerten biologischen Funktionen auszuführen.

For example,

Zum Beispiel

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

hat Hämoglobin in der Lunge die perfekte Form,

for binding a molecule of oxygen.

um Sauerstoffmoleküle zu binden.

When hemoglobin moves to your muscle,

Wenn Hämoglobin sich zum Muskel bewegt

the shape changes slightly

ändert sich seine Form leicht

and the oxygen comes out.

und der Sauerstoff strömt raus.

The shapes of proteins,

Die Formen der Proteine,

and hence their remarkable functions,

und damit ihre beindruckenden Funktionen,

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

werden von der Sequenz der Aminosäuren in der Proteinkette bestimmt.

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

In diesem Bild repräsentiert jeder Buchstabe oben eine Aminosäure.

Where do these sequences come from?

Woher kommen diese Sequenzen?

The genes in your genome specify the amino acid sequences

Die Gene in Ihrem Genom bestimmen die Aminosäuresequenzen

of your proteins.

Ihrer Proteine.

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

Jedes Gen kodiert die Aminosäuresequenz eines einzelnen Proteins.

The translation between these amino acid sequences

Die Translation zwischen den Aminosäuresequenzen

and the structures and functions of proteins

und den Strukturen und Funktionen der Proteine

is known as the protein folding problem.

ist bekannt als das "Proteinfalt Problem".

It's a very hard problem

Es ist ein sehr komplexes Problem,

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

da es so viele Formen gibt, die ein Protein annehmen kann.

Because of this complexity,

Wegen dieser Komplexität

humans have only been able to harness the power of proteins

haben Menschen die Potenz der Proteine nur nutzen können,

by making very small changes to the amino acid sequences

indem sie sehr kleine Änderungen in den Aminosäuresequenzen

of the proteins we've found in nature.

der Proteine aus der Natur vornahmen.

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

Dieser Prozess ist ähnlich zu dem unserer Vorfahren,

to make tools and other implements from the sticks and stones

um Werkzeuge und Anderes aus Stöcken und Steinen herzustellen,

that we found in the world around us.

die wir in der Welt um uns herum fanden.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

Aber Menschen haben nicht Fliegen gelernt, indem sie Vögel modifiziert haben.

(Laughter)

(Lachen)

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

Stattdessen entdeckten wir, inspiriert von Vögeln, die Prinzipien der Aerodynamik.

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

Ingenieure nutzten das dann, um Flugzeuge zu entwerfen.

In a similar way,

Ähnlich dazu

we've been working for a number of years

arbeiteten wir etliche Jahre daran,

to uncover the fundamental principles of protein folding

die fundamentalen Prinzipien der Proteinfaltung aufzudecken

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

und diese in ein Computerprogramm namens Rosetta zu kodieren.

We made a breakthrough in recent years.

In den letzten Jahren machten wir einen Durchbruch.

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

Wir können nun komplett neue Proteine von Null an am Computer selbst kreieren.

Once we've designed the new protein,

Wenn wir ein neues Protein kreiert haben,

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

kodieren wir seine Aminosequenzen in ein synthetisches Gen.

We have to make a synthetic gene

Wir müssen ein synthetisches Gen nehmen,

because since the protein is completely new,

denn weil das Protein komplett neu ist,

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

gibt es kein Gen in einem Organismus, das dieses Protein kodiert.

Our advances in understanding protein folding

Unsere Fortschritte im Verständnis der Proteinfaltung

and how to design proteins,

und der Herstellung von Proteinen,

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

zusammen mit den sinkenden Kosten der Gensynthese

and the Moore's law increase in computing power,

und dem Anstieg der Rechenleistung nach dem Mooreschem Gesetz,

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

erlauben uns nun, am Computer zehntausende neue Proteine zu entwerfen,

with new shapes and new functions,

mit neuen Formen und neuen Funktionen,

on the computer,

and encode each one of those in a synthetic gene.

und jedes einzelne davon in einem synthetischen Gen zu kodieren.

Once we have those synthetic genes,

Die synthetischen Gene

we put them into bacteria

fügen wir dann in Bakterien ein

to program them to make these brand-new proteins.

um sie zu programmieren, diese brandneuen Proteine herzustellen.

We then extract the proteins

Wir extrahieren dann die Proteine

and determine whether they function as we designed them to

und ermitteln,

ob sie die gewünschte Funktion ausführen und ob sie sicher sind.

and whether they're safe.

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

Es ist spannend, neue Proteine herstellen zu können,

because despite the diversity in nature,

da, trotz der Diversität der Natur,

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

die Evolution nur einen winzigen Bruchteil aller möglichen Proteine abgedeckt hat.

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

Ich sagte, dass die Natur ein Alphabet aus 20 Aminosäuren nutzt

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

und ein typisches Protein ist eine Kette aus etwa 100 Aminosäuren

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

also ist die Anzahl der Möglichkeiten 20 mal 20 mal 20, hundert Mal.

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

Das ist eine Zahl in der Größenordnung von etwa 10 hoch 130,

which is enormously more than the total number of proteins

was enorm viel mehr ist als die Anzahl aller Proteine,

which have existed since life on earth began.

die existiert haben, seit Leben auf der Erde begann.

And it's this unimaginably large space

Es ist dieser unvorstellbar große Raum,

we can now explore using computational protein design.

den wir nun entdecken können dank computergestütztem Proteindesign.

Now the proteins that exist on earth

Die Proteine, die auf der Welt existieren,

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

haben sich entwickelt, um die Probleme natürlicher Evolution zu lösen.

For example, replicating the genome.

Zum Beispiel die Replikation des Genoms.

But we face new challenges today.

Aber heute stehen wir vor neuen Herausforderungen

We live longer, so new diseases are important.

Wir leben heute länger, also sind neue Krankheiten relevant.

We're heating up and polluting the planet,

Wir erhitzen und verschmutzen den Planeten

so we face a whole host of ecological challenges.

und stehen so vor ganz neuen ökologischen Herausforderungen.

If we had a million years to wait,

Hätten wir eine Million Jahre Zeit,

new proteins might evolve to solve those challenges.

könnten neue Proteine entstehen, um diese Probleme zu lösen.

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

Doch wir haben keine Millionen Jahre Zeit.

Instead, with computational protein design,

Stattdessen, mit Computer-Proteindesign,

we can design new proteins to address these challenges today.

können wir neue Proteine kreieren, um diese Probleme bereits heute anzugehen.

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

Unsere kühne Idee ist es, die Biologie aus der Steinzeit zu holen,

through technological revolution in protein design.

durch technologische Revolution im Proteindesign.

We've already shown that we can design new proteins

Wir haben gezeigt, dass wir neue Proteine

mit neuen Formen und Funktionen designen können.

with new shapes and functions.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

Zum Beispiel arbeiten Impfungen, indem sie das Immunsystem stimulieren,

to make a strong response against a pathogen.

um eine starke Reaktion auf einen Krankheitserreger auszulösen.

To make better vaccines,

Um bessere Impfstoffe zu machen,

we've designed protein particles

haben wir Proteinpartikel designt,

to which we can fuse proteins from pathogens,

an die wir Proteine von Erregern anfügen können,

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

so wie dieses blaue Protein vom respiratorischen Virus RSV.

To make vaccine candidates

Um Vakzinkandidaten herzustellen,

that are literally bristling with the viral protein,

die von dem viralen Protein strotzen,

we find that such vaccine candidates

fanden wir, dass solche Vakzinkandidaten

produce a much stronger immune response to the virus

eine viel stärkere Immunreaktion auf den Virus hervorrufen

than any previous vaccines that have been tested.

als alle vorherigen Impfungen, die getestet wurden.

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

Das ist wichtig, da RSV derzeitig eine der Hauptursachen

of infant mortality worldwide.

für Säuglingssterblichkeit weltweit ist.

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

Wir haben auch neue Proteine designt, um Gluten im Magen aufzuspalten

for celiac disease

bei Zöliakie

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

und andere, um das Immunsystem zu stimulieren und so Krebs zu bekämpfen.

These advances are the beginning of the protein design revolution.

Diese Fortschritte sind der Anfang der Revolution des Proteindesigns.

We've been inspired by a previous technological revolution:

Wir wurden inspiriert von einer früheren technologischen Revolution,

the digital revolution,

der digitalen Revolution,

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

die größtenteils dank Fortschritten an nur einem Ort erfolgte:

Bell Laboratories.

den Bell Laboratories.

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

Bell Labs war ein Ort mit einer offenen, kollaborativen Umgebung,

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

und konnte Top-Talente aus der ganzen Welt anziehen.

And this led to a remarkable string of innovations --

Dies führte zu einer beachtlichen Kette von Innovationen --

the transistor, the laser, satellite communication

der Transistor, der Laser, die Satellitenkommunikation

and the foundations of the internet.

und die Grundsteine des Internets.

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

Unser Ziel ist es, das Bell Laboratories des Proteindesigns zu bauen.

We are seeking to attract talented scientists from around the world

Wir wollen talentierte Wissenschaftler aus der ganzen Welt anziehen,

to accelerate the protein design revolution,

um die Revolution des Proteindesigns zu beschleunigen,

and we'll be focusing on five grand challenges.

und wir werden uns auf fünf große Herausforderungen konzentrieren.

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

Zunächst, indem wir Proteine aus Grippeviren der ganzen Welt nehmen

and putting them on top of the designed protein particles

und sie auf die designten Proteine legen,

I showed you earlier,

wie ich vorhin zeigte,

we aim to make a universal flu vaccine,

wollen wir eine universelle Grippeimpfung herstellen,

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

bei der eine Dosis einen lebenslangen Schutz gegen die Grippe bietet.

The ability to design --

Die Fähigkeit --

(Applause)

(Applaus)

The ability to design new vaccines on the computer

Die Fähigkeit, neue Impfstoffe am Computer zu kreiieren,

is important both to protect against natural flu epidemics

ist wichtig, zum einen, um uns vor natürlichen Grippeepidemien zu schützen,

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

und zusätzlich um uns gegen Bioterrorangriffe zu verteidigen.

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

Zweitens werden wir weit über das limitierte Alphabet der Natur gehen,

of just 20 amino acids

das aus 20 Aminosäuren besteht,

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

um neue Therapien gegen Beschwerden wie chronische Schmerzen zu schaffen,

using an alphabet of thousands of amino acids.

mit einem Alphabet aus Tausenden von Aminosäuren.

Third, we're building advanced delivery vehicles

Als Drittes bauen wir fortschrittlichere "Transportwagen"

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

um Medikamente an die exakte Stelle zu transportieren, wo sie benötigt werden.

For example, chemotherapy to a tumor

Zum Beispiel Chemotherapie zu einem Tumor

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

oder Gentherapie zu dem Gewebe, wo Genreparatur benötigt wird.

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

Viertens: Wir designen smarte Therapeutik, die Berechnungen im Körper durchführt

and go far beyond current medicines,

und weit über derzeitige Medikamente hinausgeht,

which are really blunt instruments.

die wirklich eher stumpfe Waffen sind.

For example, to target a small subset of immune cells

Zum Beispiel, um eine kleine Untermenge von Immunzellen anzuvisieren,

responsible for an autoimmune disorder,

die eine Autoimmunerkrankung verursachen,

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

und sie von der großen Mehrheit gesunder Immunzellen zu unterscheiden.

Finally, inspired by remarkable biological materials

Als letztens, inspiriert von besonderen biologischen Materialen

such as silk, abalone shell, tooth and others,

wie Seide, Perlmutt, Zahn und anderen,

we're designing new protein-based materials

kreiieren wir neue, proteinbasierte Materialien,

to address challenges in energy and ecological issues.

um Probleme in Bereichen der Energie und Ökologie zu adressieren.

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

Um dies alles zu tun, entwickeln wir unser Institut.

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

Wir wollen energische, talentierte und vielfältige Wissenschaftler

von überall aus der Welt und in allen Karriereetappen einladen,

from around the world, at all career stages,

to join us.

sich uns anzuschließen.

You can also participate in the protein design revolution

Auch Sie können

an der Proteindesignrevolution teilnehmen

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

durch unser online Falt- und Designspiel "Foldit."

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

Und durch unser dezentralisiertes Projekt Rosetta@home,

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

dem Sie über Ihren Laptop oder Ihr Smartphone beitreten können.

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

Durch Proteindesign die Welt zu verbessern ist mein Lebenswerk.

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

Ich freue mich auf das, was wir gemeinsam erreichen können.

I hope you'll join us,

Ich hoffe Sie machen mit.

and thank you.

Vielen Dank.

(Applause and cheers)

(Applaus)