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

Translator: Hajar Almasi Reviewer: RAHAA IMANII

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

می‌خواهم در مورد شگفت‌انگیزترین ماشین دنیا به شما بگویم

and what we can now do with them.

و کاری که اکنون می‌توانیم با آن‌ها انجام دهیم.

Proteins,

پروتئین‌ها،

some of which you see inside a cell here,

برخی از آن‌هایی که در داخل یک سلول اینجا می‌بینید،

carry out essentially all the important functions in our bodies.

اساسا همه عملکردهای مهم در بدن ما را انجام می‌دهند.

Proteins digest your food,

پروتئین‌ها، غذای شما را هضم می‌کنند،

contract your muscles,

آنها عضلات شما را منقبض می‌کنند،

fire your neurons

نورون‌هایتان را برمی‌انگیزانند،

and power your immune system.

به سیستم ایمنی شما نیرو می‌بخشند.

Everything that happens in biology --

هر چیزی که در زیست‌شناسی اتفاق می‌افتد --

almost --

تقریبا --

happens because of proteins.

به خاطر پروتئین‌ها اتفاق می‌افتد.

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

پروتئین‌ها زنجیره‌‌هایی خطی از اجزای سازنده‌ای به نام آمینو اسیدها هستند.

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

طبیعت از الفبای ۲۰ آمینو اسید استفاده می‌کند،

some of which have names you may have heard of.

که برخی از آن‌ها نام‌هایی دارند که ممکن است شنیده باشند.

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

در این تصویر، برای مقیاس، هر برآمدگی، یک اتم است.

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

نیروهای شیمیایی بین آمینو اسیدها باعث می‌شود این مولکول‌های رشته‌ای بلند

to fold up into unique, three-dimensional structures.

به ساختار منحصر به فرد و سه‌بعدی تبدیل شوند.

The folding process,

فرآیند تاشدگی،

while it looks random,

در حالی که به نظر تصادفی می‌رسد،

is in fact very precise.

در حقیقت بسیار هم دقیق است.

Each protein folds to its characteristic shape each time,

هر پروتئین‌ به شکل مشخصه خود در هر زمان تا می‌شود،

و فرآیند تاشدگی، تنها کسری از ثانیه طول می‌کشد.

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

And it's the shapes of proteins

این شکلِ پروتئین‌هاست

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

که آن‌ها را قادر می‌سازد تا کارکردهایِ بیولوژیکی قابل‌توجه خود را انجام دهند.

For example,

برای نمونه،

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

هموگلوبین با شکلی که در شش‌ها دارد

برای اتصال مولکول اکسیژن کاملا سازگار است.

for binding a molecule of oxygen.

When hemoglobin moves to your muscle,

وقتی هموگلوبین به سمتِ ماهیچه شما حرکت می‌کند،

the shape changes slightly

قدری شکل آن تغییر می‌کند

and the oxygen comes out.

و اکسیژن آزاد می‌شود.

The shapes of proteins,

شکل پروتئین‌ها،

and hence their remarkable functions,

و از این رو وظایف قابل ملاحظه آن‌ها،

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

به طور کامل با توالی آمینو اسیدها در زنجیره پروتئین مشخص می‌شوند.

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

در این تصویر، هر حرف در بالا یک آمینو اسید است.

Where do these sequences come from?

این توالی‌ها از کجا می‌آیند؟

The genes in your genome specify the amino acid sequences

ژن‌ها در ژنوم شما توالی آمینو اسیدهایِ

of your proteins.

پروتئین‌های شما را مشخص می‌کنند.

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

هر ژن توالی آمینو اسیدِ یک پروتئینِ منحصربه‌فرد را رمزگذاری می‌کند.

The translation between these amino acid sequences

انتقال و تبدیل این توالی‌های آمینو اسید

and the structures and functions of proteins

و ساختار و عملکرد پروتئین‌ها

is known as the protein folding problem.

به مشکل تاشدگی پروتئین شناخته می‌شود.

It's a very hard problem

این مشکل بسیار سختی است،

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

زیرا اشکال مختلفی وجود دارد که یک پروتئین می‌تواند به خود بگیرد.

Because of this complexity,

به دلیل این پیچیدگی،

humans have only been able to harness the power of proteins

انسان‌ها تنها توانسته‌اند که

by making very small changes to the amino acid sequences

با ایجاد تغییرات بسیار کوچک در توالی مولکول‌های آمینو اسیدها

of the proteins we've found in nature.

قدرت پروتئین‌ها را در طبیعت مهار کنند.

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

این مشابه فرآیندی است که اجداد عصر حجر ما

to make tools and other implements from the sticks and stones

برای ساختن ابزار و اسباب دیگر از چوب و سنگ‌هایی

that we found in the world around us.

که در جهان اطرافمان می‌یابیم به کار می‌گرفتند.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

اما انسان‌ها یاد نگرفتند که با تغییر دادن پرنده‌ها پرواز کنند.

(Laughter)

(خنده حاضرین)

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

در عوض، دانشمندان با الهام از پرندگان، اصول آیرودینامیک را کشف کردند.

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

سپس مهندسان از آن اصول برای طراحیِ هواپیما استفاده کردند.

In a similar way,

به همین ترتیب،

we've been working for a number of years

ما چندین سال است

to uncover the fundamental principles of protein folding

که برای کشف اصول بنیادین تاشدگی پروتئین

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

و رمزگذاری آن اصول در برنامه کامپیوتری به نام «رُزِتا» کار کرده‌ایم.

We made a breakthrough in recent years.

در سال‌های اخیر هم پیشرفت‌هایی داشته‌ایم.

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

در حال حاضر می‌توانیم به طور کامل پروتئین‌ -های جدید را از روی کامپیوتر طراحی کنیم.

Once we've designed the new protein,

هنگامی که پروتئین جدید را طراحی کردیم،

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

توالی آمینو اسیدش را در ژن ترکیبی کدگذاری کردیم.

We have to make a synthetic gene

ما باید یک ژن مصنوعی بسازیم

because since the protein is completely new,

زیرا از آنجایی که پروتئین کاملا جدید است،

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

هیچ ژنی در هیچ ارگانیسمی که هم‌اکنون روی زمین وجود دارد نیست که آن را رمزگذاری کند.

Our advances in understanding protein folding

پیشرفت ما در درک تاشدگی پروتئین

and how to design proteins,

و چگونگی طراحی پروتئین،

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

همراه با کاهش هزینه سنتز ژن

and the Moore's law increase in computing power,

و افزایش قانون مور در قدرت محاسبه،

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

حالا ما را قادر ساخته تا ده‌ها هزار پروتئین جدید،

with new shapes and new functions,

با شکل‌های جدید و عملکردهای جدید،

on the computer,

روی کامپیوتر طراحی کنیم،

and encode each one of those in a synthetic gene.

و هر کدام از آن‌ها را با ژن مصنوعی کدگذاری کنیم.

Once we have those synthetic genes,

وقتی آن ژن‌های مصنوعی را داریم،

we put them into bacteria

آن‌ها را داخل باکتری می‌کنیم

to program them to make these brand-new proteins.

تا به آن‌ها برنامه دهیم تا این پروتئین‌های جدید را بسازند.

We then extract the proteins

سپس پروتئین‌ها را استخراج می‌کنیم

and determine whether they function as we designed them to

و مشخص می‌کنیم که آیا همانطور که آن‌ها را طراحی کرده‌ایم، عملکرد دارند یا خیر

and whether they're safe.

و اینکه آیا امن هستند.

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

شگفت انگیزاست که قادر به ساخت پروتئین‌های جدید باشیم،

because despite the diversity in nature,

چون با وجود تنوع در طبیعت،

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

تکامل تنها بخش کوچکی از کل تعدادِ پروتئین‌ها را نمونه‌برداری کرده‌است.

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

به شما گفتم که طبیعت از الفبای ۲۰ آمینو اسید استفاده می‌کند،

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

و یک پروتئین معمولی، زنجیره‌ای از حدود ۱۰۰ آمینو اسید است،

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

بنابراین تعداد کل احتمالات ۲۰ برابرِ ۲۰ برابرِ ۲۰، ۱۰۰ بار است،

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

که عددی در حدود ۱۰ به توان ۱۳۰ است،

which is enormously more than the total number of proteins

که بسیار بیشتر از کل تعداد پروتئین‌هایی است

which have existed since life on earth began.

که از آغاز حیات روی زمین وجود داشته‌اند.

And it's this unimaginably large space

و این، فضایی غیر قابل تصوربزرگ است

we can now explore using computational protein design.

که اکنون می‌توانیم با استفاده از طراحی پروتئین محاسباتی، بررسی کنیم.

Now the proteins that exist on earth

اکنون پروتئین‌های موجود بر روی زمین

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

برای حل مشکلات ناشی از فرگشتِ طبیعی تکامل‌یافته اند.

For example, replicating the genome.

برای نمونه، تکثیر و همانندسازی ژنوم.

اما امروزه با چالش‌هایِ جدیدی رو به رو هستیم

But we face new challenges today.

We live longer, so new diseases are important.

ما طولانی‌مدت‌تر زندگی می‌کنیم، پس بیماری‌های جدید مهم هستند.

We're heating up and polluting the planet,

ما در حال گرم کردن (بیش از حد) و آلودگی این سیاره هستیم،

so we face a whole host of ecological challenges.

بنابراین ما با گروه کاملی از چالش‌های زیست‌محیطی رو به رو هستیم.

If we had a million years to wait,

اگر یک میلیون سال برای صبر کردن داشتیم،

new proteins might evolve to solve those challenges.

شاید پروتئین‌های جدیدی برای حل این چالش‌ها تکامل یابند.

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

اما میلیون‌ها سال وقت نداریم که صبر کنیم.

Instead, with computational protein design,

در عوض، با طراحی پروتئین محاسباتی،

we can design new proteins to address these challenges today.

امروزه می‌توانیم از پروتئین‌های جدید برای پرداختن به این چالش‌ها استفاده کنیم.

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

ایده متهورانه ما، خارج کردن بیولوژی از عصر حجر

through technological revolution in protein design.

از طریق انقلاب تکنولوژیک در طراحی پروتئین است.

We've already shown that we can design new proteins

ما پیش‌تر نشان داده‌ایم که می‌توانیم پروتئین‌های جدید را

با اشکال‌ و کارکردهای جدید طراحی کنیم.

with new shapes and functions.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

برای نمونه، واکسن‌ها با تحریک سیستم ایمنی شما

to make a strong response against a pathogen.

برای ایجاد واکنشی قوی‌تر به بیماری‌زاها کار می‌کنند.

To make better vaccines,

برای ساختنِ واکسن‌های بهتر،

we've designed protein particles

ما ذرات پروتئینی را طراحی کرده‌ایم

to which we can fuse proteins from pathogens,

که در آن می‌توانیم پروتئین‌ها را از پروتئین‌های بیماری‌زا،

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

مانند این پروتئین آبی در اینجا، از ویروسِ تنفسی (ویروس سین‌سیشیال) در هم بیامیزیم.

To make vaccine candidates

برای ایجاد کاندیداهای واکسن

that are literally bristling with the viral protein,

که به معنای واقعی پروتئین ویروسی هستند،

we find that such vaccine candidates

می‌بینیم که چنین کاندیدهایی برای واکسن

produce a much stronger immune response to the virus

واکنش ایمنی بسیار بیشتری نسبت به ویروس دارند

than any previous vaccines that have been tested.

نسبت به واکسن‌های پیشین که آزمایش شده‌اند.

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

این مساله به این علت مهم است که زیرا ویروس سین‌سیشیال تنفسی (RSV)

of infant mortality worldwide.

یکی از عوامل اصلی مرگ و میرِ نوزادان در سراسر جهان است.

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

همچنین پروتئین‌های جدیدی برای بی‌اثرکردن گلوتن در معده

for celiac disease

برای بیماری سلیاک

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

و پروتئین‌های دیگری برای تحریک سیستم ایمنی شما جهت مبارزه با سرطان طراحی کرده‌ایم.

These advances are the beginning of the protein design revolution.

این پیشرفت‌ها سرآغازِ انقلابِ طراحی پروتیین هستند.

We've been inspired by a previous technological revolution:

ما هم از یک انقلاب ِ تکنولوژیک پیشین الهام‌گرفته ایم:

the digital revolution,

انقلاب دیجیتال،

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

که به دلیل پیشرفت‌های صورت‌گرفته در یک مکان، در بخش بزرگی نیز رخ داد

Bell Laboratories.

آزمایشگاه‌های بل.

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

آزمایشگاه‌های بل، محلی با محیط باز و مشارکتی بود،

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

و توانست استعدادهای برجسته را از سراسر جهان جذب کند.

And this led to a remarkable string of innovations --

و این منجر به رشته‌ای از نوآوری‌های قابل ملاحظه شد --

the transistor, the laser, satellite communication

ترانزیستور، لیزر، ارتباطات ماهواره‌ای

and the foundations of the internet.

و پایه‌های بنیادین اینترنت.

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

هدف ما ساخت آزمایشگاه‌های بل طراحی پروتئین است.

We are seeking to attract talented scientists from around the world

ما به دنبال جذب دانشمندان با استعداد از سراسر جهان هستیم

to accelerate the protein design revolution,

تا انقلاب طراحی پروتئین را تسریع کنیم،

and we'll be focusing on five grand challenges.

و بر پنج چالش بزرگ تمرکز خواهیم کرد.

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

اول اینکه، با گرفتن پروتئین‌های انواع آنفلوانزا از سراسر دنیا

and putting them on top of the designed protein particles

و قرار دادن آن‌ها بر رویِ ذرات پروتیینی طراحی‌شده

I showed you earlier,

که پیش‌تر به شما نشان دادم،

we aim to make a universal flu vaccine,

هدف ما ایجاد یک واکسن آنفلوآنزای جهانی است

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

که عمری محافظت در برابر آنفلوآنزا را می‌دهد.

The ability to design --

توانایی طراحی --

(Applause)

(تشویق حاضرین)

The ability to design new vaccines on the computer

توانایی طراحی واکسن‌های جدید روی کامپیوتر

is important both to protect against natural flu epidemics

هم برای محافظت در برابر همه‌گیرشدن آنفلوآنزای طبیعی

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

و هم جهت اقدامات عامدانه بیوتروریسم مهمند.

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

دوم اینکه، ما

of just 20 amino acids

از الفبای محدود طبیعت تنها ۲۰ آمینو اسید

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

برای طراحی کاندیدهای درمانی جدید برای شرایطی مانند دردهای مزمن

using an alphabet of thousands of amino acids.

استفاده می‌کنیم و تنها از یک الفبا از هزاران آمینو اسید استفاده می‌کنیم.

Third, we're building advanced delivery vehicles

سوم اینکه، ما در حال ساختنِ تجهیزات پیشرفته‌ای

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

با این هدف که داروهای موجود را دقیقا همان جایی که باید، به بدن وارد کنند، هستیم.

For example, chemotherapy to a tumor

برای نمونه، شیمی‌درمانی برای یک تومور

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

یا درمان‌های ژنی در بافتی که در آنجا ترمیم ژنی باید صورت گیرد.

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

چهارم، در حال طراحی روش‌های هوشمندی هستیم که قادر است محاسباتی در بدن انجام دهند،

and go far beyond current medicines,

و فراتر از داروهای فعلی

which are really blunt instruments.

که ابزارهای واقعا نابی هستند، بروند.

For example, to target a small subset of immune cells

برای نمونه، برای هدف قرار دادن یک زیرمجموعه کوچک از سلول‌های ایمنی

responsible for an autoimmune disorder,

مسئول یک اختلال خود ایمنی،

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

و آن‌ها را از اکثریت سلول‌هایِ ایمنی سالم تشخیص می‌دهد.

Finally, inspired by remarkable biological materials

در نهایت، با الهام از مواد زیستی قابل‌توجه

such as silk, abalone shell, tooth and others,

مانند ابریشم، صدف آبالون، دندان و چیزهای دیگر،

we're designing new protein-based materials

در حال طراحی مواد جدیدی مبتنی بر پروتئین هستیم تا

to address challenges in energy and ecological issues.

به حل چالش‌های مسائل انرژی و زیست محیطی بپردازیم.

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

برای انجام این همه، در حال گسترش موسسه‌مان هستیم.

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

ما به دنبال جذب دانشمندان پرانرژی، بااستعداد و متنوع

from around the world, at all career stages,

از سراسر دنیا، در تمام مراحل شغلی،

to join us.

برای پیوستن به ما هستیم.

You can also participate in the protein design revolution

همچنین می‌توانید در انقلاب طراحی پروتئین

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

از طریق بازی طراحی تاشو آنلاین ما «Foldit» شرکت کنید.

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

و از طریق پروژه محاسباتی غیرمتمرکز ما، Rosetta@home

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

می‌توانید از لپ‌تاپ و یا گوشی هوشمندتان به ما بپیوندید.

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

تبدیل کردن دنیا به مکانی بهتر با طراحی پروتئین، کار من است.

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

بسیار از آن‌چه که می توانیم با یاری هم بکنیم هیجان‌زده‌ام.

I hope you'll join us,

امیدوارم به ما بپیوندید.

and thank you.

و از شما سپاسگزارم.

(Applause and cheers)

(تشویق و هلهله)