How designing brand-new enzymes could change the world | Adam Garske

Translator: Ivana Korom Reviewer: Krystian Aparta

Traductor: Florencia Bracamonte Revisor: Paula Motter

Growing up in central Wisconsin, I spent a lot of time outside.

Al crecer en Wisconsin, pasé mucho tiempo al aire libre.

In the spring, I'd smell the heady fragrance of lilacs.

En la primavera, sentía el aroma encantador de las lilas.

In the summer, I loved the electric glow of fireflies

En el verano, adoraba ver el brillo eléctrico de las luciérnagas

as they would zip around on muggy nights.

en las noches húmedas y calurosas.

In the fall, the bogs were brimming with the bright red of cranberries.

En el otoño, los pantanos refulgían con el rojo de los arándanos.

Even winter had its charms,

Hasta el invierno tenía sus encantos, con los ramilletes navideños de los pinos.

with the Christmassy bouquet emanating from pine trees.

For me, nature has always been a source of wonder and inspiration.

Para mí, la naturaleza siempre ha sido una fuente de asombro e inspiración.

As I went on to graduate school in chemistry, and in later years,

Cuando estudié química en la universidad, unos años después,

I came to better understand the natural world in molecular detail.

llegué a comprender mejor los detalles moleculares del mundo natural.

All the things that I just mentioned,

Todo lo que acabo de mencionar, desde el aroma de las lilas y los pinos

from the scents of lilacs and pines

to the bright red of cranberries and the glow of fireflies,

hasta el rojo intenso de los arándanos y el brillo de las luciérnagas,

have at least one thing in common:

tiene al menos un aspecto en común:

they're manufactured by enzymes.

son creación de las enzimas.

As I said, I grew up in Wisconsin, so of course, I like cheese

Como conté, crecí en Wisconsin, y obviamente me gusta el queso

and the Green Bay Packers.

y los Green Bay Packers.

But let's talk about cheese for a minute.

Pero hablemos ahora del queso.

For at least the last 7,000 years,

Durante los últimos 7000 años,

humans have extracted a mixture of enzymes

las personas han extraído una mezcla de enzimas

from the stomachs of cows and sheep and goats

del estómago de vacas, ovejas y cabras y la han agregado a la leche.

and added it to milk.

Esto hace que la leche cuaje, que es parte de la elaboración de quesos.

This causes the milk to curdle -- it's part of the cheese-making process.

The key enzyme in this mixture is called chymosin.

La enzima clave en esta mezcla se denomina "quimosina".

I want to show you how that works.

Quiero mostrarles cómo funciona.

Right here, I've got two tubes,

Aquí tengo dos tubos, y voy a agregar quimosina a uno de ellos.

and I'm going to add chymosin to one of these.

Just a second here.

Un momento por favor.

Now my son Anthony, who is eight years old,

Mi hijo Anthony, que tiene ocho años,

was very interested in helping me figure out a demo for the TED Talk,

tenía ganas de ayudarme a armar la demostración para esta charla TED.

and so we were in the kitchen, we were slicing up pineapples,

Estábamos en la cocina cortando rebanadas de ananá,

extracting enzymes from red potatoes

extrayendo las enzimas de las papas rojas

and doing all kinds of demos in the kitchen.

y haciendo todo tipo de demostraciones en la cocina.

And in the end, though,

Al final, nos pareció que la demostración de la quimosina quedó muy bien.

we thought the chymosin demo was pretty cool.

And so what's happening here

Entonces, lo que vemos aquí es cómo la quimosina nada en la leche

is the chymosin is swimming around in the milk,

and it's binding to a protein there called casein.

y se adhiere a una proteína llamada "caseína".

What it does then is it clips the casein --

Lo que hace entonces es cortar la caseína, como si fuera una tijera molecular.

it's like a molecular scissors.

It's that clipping action that causes the milk to curdle.

Este corte provoca el cuajado de la leche.

So here we are in the kitchen, working on this.

Aquí estamos en la cocina trabajando en esto.

OK.

Bien.

So let me give this a quick zip.

Ahora agitaré los tubos,

And then we'll set these to the side and let these simmer for a minute.

los pondré a un costado y los dejaré reposar un minuto.

OK.

Bien.

If DNA is the blueprint of life,

Si el ADN es el plano de la vida,

enzymes are the laborers that carry out its instructions.

las enzimas son los obreros que ejecutan las instrucciones.

An enzyme is a protein that's a catalyst,

Una enzima es una proteína, un catalizador:

it speeds up or accelerates a chemical reaction,

acelera una reacción química,

just as the chymosin over here is accelerating the curdling of the milk.

así como esta quimosina acelera el cuajado de la leche.

But it's not just about cheese.

Pero no solamente fabrica queso.

While enzymes do play an important role in the foods that we eat,

Si bien las enzimas cumplen un rol esencial en los alimentos que comemos,

they also are involved in everything from the health of an infant

también participan en procesos como la salud de los niños

to attacking the biggest environmental challenges

y pueden ayudar a combatir los problemas ambientales actuales.

we have today.

The basic building blocks of enzymes are called amino acids.

Los aminoácidos son los elementos más importantes de las enzimas.

There are 20 common amino acids,

Existen 20 aminoácidos comunes,

and we typically designate them with single-letter abbreviations,

y usualmente se los designa con una abreviatura de una sola letra.

so it's really an alphabet of amino acids.

Así que tenemos un abecedario de aminoácidos.

In an enzyme, these amino acids are strung together,

En una enzima, los aminoácidos se ubican uno tras otro,

like pearls on a necklace.

como las perlas de un collar.

And it's really the identity of the amino acids,

La identidad del aminoácido se determina según las letras del collar

which letters are in that necklace,

and in what order they are, what they spell out,

y el orden en que aparecen.

that gives an enzyme its unique properties and differentiates it from other enzymes.

Eso determina las características únicas de una enzima

y la diferencian de las demás.

Now, this string of amino acids,

Esta cadena de aminoácidos se pliega y forma una estructura de orden superior.

this necklace,

folds up into a higher-order structure.

Si pudiésemos observar la quimosina a nivel molecular,

And if you were to zoom in at the molecular level

and take a look at chymosin, which is the enzyme working over here,

que es la enzima de este experimento, veríamos que luce así.

you would see it looks like this.

Pueden ver todas estas hebras, bucles, hélices, nudos y giros.

It's all these strands and loops and helices and twists and turns,

Tiene que tener exactamente esta estructura para funcionar bien.

and it has to be in just this conformation to work properly.

Nowadays, we can make enzymes in microbes,

Hoy día, podemos crear enzimas en los microbios,

and that can be like a bacteria or a yeast, for example.

por ejemplo, en una bacteria o en la levadura.

And the way we do this is we get a piece of DNA

Para esto necesitamos una parte de ADN

that codes for an enzyme that we're interested in,

con el código de la enzima que nos interesa.

we insert that into the microbe,

La insertamos en el microbio

and we let the microbe use its own machinery, its own wherewithal,

y dejamos que el microbio use sus propios mecanismos y recursos

to produce that enzyme for us.

para producir la enzima que queremos.

So if you wanted chymosin, you wouldn't need a calf, nowadays --

Para extraer quimosina, no necesitaríamos un ternero hoy en día.

you could get this from a microbe.

Podríamos obtenerla a partir de un microbio.

And what's even cooler, I think,

Más interesante aún: podemos manipular

is we can now dial in completely custom DNA sequences

secuencias de ADN completamente personalizadas

to make whatever enzymes we want,

y crear cualquier enzima que queramos, que no existan en la naturaleza.

stuff that's not out there in nature.

And, to me, what's really the fun part

Para mí, la parte más divertida

is trying to design an enzyme for a new application,

es intentar diseñar una enzima que tenga nuevos usos,

arranging the atoms just so.

con tan solo ordenar los átomos.

The act of taking an enzyme from nature and playing with those amino acids,

Tomar enzimas de la naturaleza y experimentar con esos aminoácidos,

tinkering with those letters,

acomodando esas letras, agregando algunas, quitando otras,

putting some letters in, taking some letters out,

maybe rearranging them a little bit,

quizá reorganizándolas un poco,

is a little bit like finding a book

es similar a tomar un libro y editar unos cuantos capítulos o cambiar el final.

and editing a few chapters or changing the ending.

In 2018, the Nobel prize in chemistry

En 2018, el premio Nobel de química se otorgó a quien desarrolló este método,

was given for the development of this approach,

which is known as directed evolution.

que se conoce como "evolución dirigida".

Nowadays, we can harness the powers of directed evolution

Actualmente, podemos potenciar la capacidad de la evolución dirigida

to design enzymes for custom purposes,

para diseñar enzimas con fines específicos,

and one of these is designing enzymes for doing applications in new areas,

por ejemplo, enzimas que puedan aplicarse en nuevas áreas,

like laundry.

como la lavandería.

So just as enzymes in your body

Así como las enzimas en su organismo los ayudan a descomponer lo que comen,

can help you to break down the food that you eat,

enzymes in your laundry detergent

las enzimas en su jabón de lavado

can help you to break down the stains on your clothes.

los ayudan a descomponer las manchas de la ropa.

It turns out that about 90 percent of the energy

Resulta que alrededor del 90 % de la energía que requiere un lavado

that goes into doing the wash

is from water heating.

es por calentar el agua.

And that's for good reason --

Y es así por una buena razón:

the warmer water helps to get your clothes clean.

el agua más caliente ayuda a limpiar la ropa.

But what if you were able to do the wash in cold water instead?

Pero ¿y si pudiéramos lavar la ropa con agua fría?

Ciertamente ahorrarían algo de dinero y, además,

You certainly would save some money,

and in addition to that,

according to some calculations done by Procter and Gamble,

según cálculos realizados por Procter & Gamble,

si en todos los hogares de EE. UU. se usara agua fría para lavar la ropa,

if all households in the US were to do the laundry in cold water,

we would save the emissions of 32 metric tons of CO2 each year.

nos ahorraríamos emisiones de 32 toneladas de CO2 por año.

That's a lot,

Es un montón,

that's about the equivalent

casi lo mismo que el dióxido de carbono emitido por 6,3 millones de vehículos.

of the carbon dioxide emitted by 6.3 million cars.

So, how would we go about designing an enzyme

Entonces, ¿cómo podríamos diseñar enzimas que diesen lugar a estos cambios?

to realize these changes?

Enzymes didn't evolve to clean dirty laundry,

Las enzimas no evolucionaron para lavar la ropa sucia,

much less in cold water.

mucho menos en agua fría.

But we can go to nature, and we can find a starting point.

Pero podemos encontrar en la naturaleza un punto de partida:

We can find an enzyme that has some starting activity,

dar con una enzima que presente alguna funcionalidad,

some clay that we can work with.

arcilla con la que comenzar.

So this is an example of such an enzyme, right here on the screen.

Aquí en la pantalla vemos un ejemplo de ese tipo de enzimas.

And we can start playing with those amino acids, as I said,

Podemos comenzar a experimentar con los aminoácidos

putting some letters in, taking some letters out,

agregando algunas letras, quitando otras, reacomodándolas.

rearranging those.

And in doing so, we can generate thousands of enzymes.

Y al hacer esto podemos generar miles de enzimas.

And we can take those enzymes,

Podemos tomar estas enzimas

and we can test them in little plates like this.

y ponerlas a prueba en placas como esta.

So this plate that I'm holding in my hands

Esta placa en mis manos contiene 96 pocillos,

contains 96 wells,

and in each well is a piece of fabric with a stain on it.

y en cada uno hay una muestra de tela con manchas.

And we can measure how well each of these enzymes

Podemos medir la eficacia con la que cada una de estas enzimas

are able to remove the stains from the pieces of fabric,

remueve las manchas de las telas, y ver así cuán bien funcionan.

and in that way see how well it's working.

And we can do this using robotics,

Podemos hacer esto con la robótica,

like you'll see in just a second on the screen.

como verán en pantalla dentro de un segundo.

OK, so we do this, and it turns out

Entonces, al hacer esto,

that some of the enzymes are sort of in the ballpark

resulta que algunas enzimas están dentro del rango de las enzimas básicas.

of the starting enzyme.

That's nothing to write home about.

Nada peculiar en ello.

Some are worse, so we get rid of those.

Algunas no son buenas, y nos deshacemos de ellas.

And then some are better.

Otras sí son buenas.

Those improved ones become our version 1.0s.

Esas enzimas mejoradas son nuestra versión 1.0

Those are the enzymes that we want to carry forward,

y las que queremos desarrollar.

and we can repeat this cycle again and again.

Podemos repetir este ciclo una y otra vez.

And it's the repetition of this cycle that lets us come up with a new enzyme,

La repetición de este ciclo nos permite dar con nuevas enzimas

something that can do what we want.

que puedan hacer lo que queremos.

And after several cycles of this,

Tras varios de estos ciclos, encontramos algo nuevo.

we did come up with something new.

Así que hoy pueden ir al supermercado y comprar un jabón de lavado

So you can go to the supermarket today, and you can buy a laundry detergent

that lets you do the wash in cold water because of enzymes like this here.

que les permita lavar con agua fría gracias a estas enzimas.

And I want to show you how this one works too.

Quiero mostrarles cómo funciona esta enzima.

So I've got two more tubes here,

Tengo otros dos tubos aquí, y ambos tienen leche.

and these are both milk again.

And let me show you,

Permítanme mostrarles:

I've got one that I'm going to add this enzyme to

A uno le agregaré esta enzima y al otro le agregaré agua.

and one that I'm going to add some water to.

And that's the control,

Será el grupo de control, así que nada cambiará en ese tubo.

so nothing should happen in that tube.

You might find it curious that I'm doing this with milk.

Quizá les parezca curioso que haga esto con leche.

But the reason that I'm doing this

Pero la razón es que la leche tiene muchas proteínas,

is because milk is just loaded with proteins,

and it's very easy to see this enzyme working in a protein solution,

y es sencillo ver cómo trabajan las enzimas en una solución proteica

because it's a master protein chopper,

ya que es una experta en descomponer proteínas.

that's its job.

Tiene esa función.

So let me get this in here.

Déjenme poner esto aquí.

And you know, as I said, it's a master protein chopper

Como mencioné, es experta en descomponer proteínas

and what you can do is you can extrapolate what it's doing in this milk

y pueden extrapolar lo que hace en la leche

to what it would be doing in your laundry.

a lo que haría en su lavarropas.

Podemos visualizar de esta manera lo que ocurriría.

So this is kind of a way to visualize what would be happening.

OK, so those both went in.

Bien, estos dos están listos.

And I'm going to give this a quick zip as well.

Voy a agitar también estos dos.

OK, so we'll let these sit over here with the chymosin sample,

Los pondremos aquí junto a las muestras de quimosina

so I'm going to come back to those toward the end.

y regresaré a ellos al final de la charla.

Well, what's on the horizon for enzyme design?

¿Qué es lo que se avecina en el futuro del diseño de enzimas?

Certainly, it will get it faster --

Ciertamente, será más rápido.

there are now approaches for evolving enzymes

Existen enfoques nuevos para desarrollar enzimas

that allow researchers to go through far more samples

que permiten a los investigadores analizar muchas más muestras.

than I just showed you.

Además de manipular las enzimas naturales, que es lo que he estado mostrando,

And in addition to tinkering with natural enzymes,

like we've been talking about,

some scientists are now trying to design enzymes from scratch,

hoy algunos investigadores intentan diseñar enzimas desde cero

using machine learning, an approach from artificial intelligence,

usando el aprendizaje automático, un enfoque de la inteligencia artificial,

to inform their enzyme designs.

para enriquecer sus diseños de enzimas.

Still others are adding unnatural amino acids to the mix.

Otros agregan a la mezcla aminoácidos artificiales.

We talked about the 20 natural amino acids,

Mencionamos los 20 aminoácidos básicos de la naturaleza hace un momento.

the common amino acids, before --

they're adding unnatural amino acids

Ellos agregan aminoácidos artificiales para crear enzimas distintas

to make enzymes with properties unlike those that could be found in nature.

a las que podrían encontrarse en la naturaleza.

That's a pretty neat area.

Es un área interesante.

How will designed enzymes affect you in years to come?

¿Cómo nos afectará en el futuro el diseño de enzimas?

Well, I want to focus on two areas:

Pues bien, quiero centrarme en dos áreas: la salud humana y el medioambiente.

human health and the environment.

Some pharmaceutical companies

Algunas farmacéuticas

now have teams that are dedicated to designing enzymes

tienen ahora equipos que se dedican a diseñar enzimas

to make drugs more efficiently and with fewer toxic catalysts.

para crear fármacos con mayor eficiencia y con menos catalizadores tóxicos.

For example, Januvia,

Por ejemplo, Januvia,

which is a medication to treat type 2 diabetes,

un medicamento para tratar la diabetes tipo 2,

is made partially with enzymes.

está parcialmente creado con enzimas.

The number of drugs made with enzymes is sure to grow in the future.

Los fármacos creados con enzimas seguramente aumentarán en el futuro.

In another area,

En otra área, existen ciertos trastornos

there are certain disorders

en los que una única enzima no funciona bien en el organismo.

in which a single enzyme in a person's body doesn't work properly.

Un ejemplo es la llamada "fenilcetonuria", o PKU, por sus siglas en inglés.

An example of this is called phenylketonuria,

or PKU for short.

People with PKU are unable to properly metabolize or digest phenylalanine,

La gente con PKU no puede metabolizar o digerir apropiadamente la fenilalanina,

which is one of the 20 common amino acids that we've been talking about.

uno de los 20 aminoácidos básicos que ya he mencionado.

The consequence of ingesting phenylalanine for people with PKU

La consecuencia de ingerir fenilalanina para las personas con PKU

is that they are subject to permanent intellectual disabilities,

es que se arriesgan a desarrollar discapacidades intelectuales permanentes.

so it's a scary thing to have.

Es una enfermedad aterradora.

Now, those of you with kids --

Ahora bien, quienes tengan hijos...

do you guys have kids, here, which ones have kids?

¿Cuántos padres hay aquí?

A lot of you.

Muchos.

So may be familiar with PKUs,

Puede que estén familiarizados con la PKU

because all infants in the US are required to be tested for PKU.

pues en EE. UU. a todos los niños debe hacérseles una prueba de PKU.

I remember when Anthony, my son, had his heel pricked to test for it.

Recuerdo cuando a mi hijo Anthony le pincharon el talón para hacerle la prueba.

The big challenge with this is: What do you eat?

El gran desafío aquí es qué comer.

Phenylalanine is in so many foods, it's incredibly hard to avoid.

Hay fenilalanina en tantos alimentos que es muy difícil evitarla.

Now, Anthony has a nut allergy, and I thought that was tough,

Anthony es alérgico a los frutos secos y creí que eso era un problema,

but PKU's on another level of toughness.

pero la PKU está a otro nivel.

However, new enzymes may soon enable PKU patients

Sin embargo, las nuevas enzimas podrían permitir a los pacientes de PKU

to eat whatever they want.

comer lo que quieran.

Recently, the FDA approved an enzyme designed to treat PKU.

Recientemente, la FDA aprobó una enzima diseñada para tratar la PKU.

This is big news for patients,

Es una muy buena noticia para los pacientes

and it's actually very big news

y también para el campo de la terapia de reemplazo enzimático,

for the field of enzyme-replacement therapy more generally,

pues existen otros casos en que esto podría aplicarse también.

because there are other targets out there where this would be a good approach.

So that was a little bit about health.

Eso con relación a la salud.

Now I'm going to move to the environment.

Ahora hablemos sobre el medioambiente.

When I read about the Great Pacific Garbage Patch --

Cuando leí sobre "la isla de la basura" en el Pacífico,

by the way, that's, like, this huge island of plastic,

que es una enorme isla de plástico en algún lugar entre California y Hawái,

somewhere between California and Hawaii --

and about microplastics pretty much everywhere,

y sobre los microplásticos prácticamente en todo el mundo,

it's upsetting.

me alarmé.

Plastics aren't going away anytime soon.

Los plásticos no van a desaparecer.

But enzymes may help us in this area as well.

Y las enzimas pueden ayudarnos en esta área también.

Recently, bacteria producing plastic-degrading enzymes were discovered.

Recientemente, se descubrieron bacterias

que producen enzimas capaces de degradar plástico.

Efforts are already underway to design improved versions

Ya hay estudios para diseñar versiones mejoradas de estas enzimas.

of these enzymes.

At the same time, there are enzymes that have been discovered

Al mismo tiempo,

se han optimizado nuevas enzimas

and that are being optimized

to make non-petroleum-derived biodegradable plastics.

para crear plásticos biodegradables que no deriven del petróleo.

Enzymes may also offer some help in capturing greenhouse gases,

Las enzimas también pueden capturar los gases de efecto invernadero,

such as carbon dioxide, methane and nitrous oxide.

como dióxido de carbono, metano y óxido nitroso.

Now, there is no doubt, these are major challenges,

No cabe duda de que se trata de grandes desafíos,

and none of them are easy.

y ninguno de ellos es sencillo.

But our ability to harness enzymes may help us to tackle these in the future,

Pero la habilidad de potenciar las enzimas puede ayudarnos con esto en el futuro,

so I think that's another area to be looking forward.

por eso creo que es otra área a investigar.

So now I'm going to get back to the demo --

Ahora retomaré la demostración.

Esta parte es divertida.

this is the fun part.

So we'll start with the chymosin samples.

Empezamos con las muestras de quimosina.

So let me get these over here.

Déjenme acomodar esto.

And you can see here,

Pueden ver que esta muestra es una de las que obtuvo agua,

this is the one that got the water,

so nothing should happen to this milk.

así que no debería pasar nada con la leche.

This is the one that got the chymosin.

Esta muestra obtuvo quimosina.

So you can see that it totally clarified up here.

Pueden ver que esta parte se aclaró totalmente.

There's all this curdled stuff, that's cheese,

Esta parte cuajada es el queso: acabamos de hacer queso en unos minutos.

we just made cheese in the last few minutes.

So this is that reaction

Hemos estado produciendo esta reacción durante miles y miles de años.

that people have been doing for thousands and thousands of years.

I'm thinking about doing this one at our next Kids to Work Day demo

Quizá haga esta demostración para el "día de niños en el trabajo",

but they can be a tough crowd, so we'll see.

aunque pueden ser un público difícil, así que veremos.

(Laughter)

And then the other one I want to look at is this one.

También quiero que veamos esto.

So this is the enzyme for doing your laundry.

Se trata de la enzima usada en el lavado de ropa.

And you can see that it's different than the one that has the water added.

Pueden ver que es diferente a la que se le agregó agua.

It's kind of clarifying,

Parece ser más clara,

and that's just what you want for an enzyme in your laundry,

y es exactamente así como queremos que sea la enzima para el lavado,

because you want to be able to have an enzyme

porque es necesario tener una enzima que pueda devorar las proteínas,

that can be a protein chowhound, just chew them up,

because you're going to get different protein stains on your clothes,

pues tendrán manchas de diferentes proteínas en su ropa,

como leche chocolatada o manchas de pasto.

like chocolate milk or grass stains, for example,

and something like this is going to help you get them off.

Y esto ayudará a limpiarlas.

And this is also going to be the thing that allows you

También les permitirá lavar la ropa con agua fría,

to do the wash in cold water, reduce your carbon footprint

reducir la huella de carbono y ahorrar algo de dinero.

and save you some money.

Well, we've come a long way,

Hemos avanzado bastante,

considering this 7,000-year journey from enzymes in cheese making

si consideramos el recorrido de 7000 años de las enzimas

en la creación de quesos hasta el diseño de enzimas actual.

to the present day and enzyme design.

We're really at a creative crossroads,

Nos encontramos en una encrucijada creativa,

and with enzymes, can edit what nature wrote

y con las enzimas podemos editar lo que la naturaleza dispuso,

or write our own stories with amino acids.

o escribir nuestras propias historias con los aminoácidos.

So next time you're outdoors on a muggy night

La próxima vez que estén al aire libre, durante una noche húmeda,

and you see a firefly,

y vean una luciérnaga, espero que se acuerden de las enzimas.

I hope you think of enzymes.

They're doing amazing things for us today.

Ahora mismo están actuando para nuestro beneficio.

And by design,

Y al diseñarlas,

they could be doing even more amazing things tomorrow.

podrían realizar tareas más increíbles en el futuro.

Thank you.

Gracias.

(Applause)

(Aplausos)