A Virus-Resistant Organism -- and What It Could Mean for the Future | Jason W. Chin | TED

תרגום: Naama Lieberman עריכה: zeeva livshitz

So we built a virus-resistant organism.

אז בנינו אורגניזם עמיד בפני וירוסים.

Why?

למה?

It's not about disease, or not directly.

זה לא קשור למחלה, לא ישירות.

It's about building the clean factories of the future.

העניין הוא לבנות את המפעלים הנקיים של העתיד.

Let me explain by taking a big step back.

תנו לי להסביר על יד צעד גדול אחורה.

All life runs on DNA.

כל החיים פועלים על DNA.

DNA codes for proteins, and proteins run life.

DNA מקודד חלבונים, וחלבונים מפעילים את החיים.

DNA is composed of four bases:

DNA מורכב מארבעה בסיסים:

A, T, G and C.

A, T, G, C

And triplets of these bases, known as codons,

ושלישיות של בסיסים אלה, הנקראים קודון,

encode each of the amino acid building blocks in proteins.

מקודדים כל אחת מחומצות האמינו אבני הבניין של חלבונים.

The genetic code is a rulebook

הקוד הגנטי הוא ספר חוקים

that defines which codon encodes which amino acid.

שמגדיר איזה קודון מקודד איזו חומצת אמינו.

So, for example,

אז, לדוגמה,

the triplet codon TCG encodes the amino acid serine.

הקודון המשולש TCG מקודד את חומצת האמינו סרין.

And the order of triplet codons in DNA

וסדר הקודונים המשולשים ב-DNA

encodes the order of amino acid building blocks in a protein.

מקודד את הסדר של חומצות האמינו אבני הבניין של חלבון.

There are 64 triplet codons in DNA

יש 64 קודונים ב-DNA

and just 20 common amino acids.

ורק 20 חומצות אמינו נפוצות.

And this means that most amino acids

כלומר, רוב חומצות האמינו

are encoded by more than one triplet codon.

מקודדות על ידי יותר מקודון משולש אחד.

So, for example, the amino acid serine

אז, לדוגמה, חומצת האמינו סרין

is encoded by six different triplet codons.

מקודדת על ידי שישה קודונים משולשים שונים.

And triplet codons that encode the same amino acid

וקודונים משולשים שמקודדים את אותה חומצת אמינו

are defined as synonymous codons.

מוגדרים כקודונים “נרדפים“.

The DNA code used for life is near universal.

קוד ה-DNA שיוצר חיים הוא כמעט אוניברסלי.

All forms of life and viruses use essentially the same genetic code.

כל צורות החיים והווירוסים משתמשים כמעט באותו קוד גנטי.

And that's a trait that we can exploit.

וזו תכונה שניתן לנצל.

Here's what we did.

הנה מה שעשינו.

We asked whether life needs multiple synonymous codons

שאלנו אם לחיים נחוצים קודונים מרובים ונרדפים

to encode a single amino acid.

כדי לקודד חומצת אמינו יחידה.

For example, does life need six different codons,

לדוגמה, האם חיים דורשים שישה קודונים שונים,

which all code for the amino acid serine?

שכולם מקודדים את חומצת האמינו סרין?

We took the four-million-character DNA of E. coli, its genome,

לקחנו את ארבע מיליון האותיות ב-DNA של E. coli, הגנום שלו,

and completely rewrote the code of this microbe

ושכתבנו לגמרי את הקוד של החיידק הזה

in a very specific way

בדרך מאד מסוימת

by replacing targeted codons in its genome

על ידי החלפת קודונים מסוימים בגנום שלו

with synonymous codons that encode the same amino acid.

בקודונים נרדפים שמקודדים אותה חומצת אמינו.

So for example,

אז לדוגמה,

we replaced the TCG and TCA codons,

החלפנו את הקודונים TCG, TCA

which encode the amino acid serine,

שמקודדים את חומצת האמינו סרין,

with AGT and AGC codons,

בקודונים AGT ו-AGC,

which also encode the amino acid serine.

שגם הם מקודדים חומצת אמינו סרין.

By doing this across the whole four-million-base genome,

כשעשינו זאת לאורך ארבעה מיליון בסיסים בגנום כולו,

we completely removed the targeted codons from the genetic code of E. coli.

הסרנו לחלוטין את הקודונים הנבחרים מהקוד הגנטי של E. coli.

Overall, we compressed the genetic code from using 64 codons to using 61 codons.

סך הכול, דחסנו את הקוד הגנטי משימוש ב-64 קודונים ל-61 קודונים.

How did we do it?

איך עשינו את זה?

We first took the four-million-character code in a computer

בהתחלה לקחנו את הקוד בן ארבעה מיליון הבסיסים במחשב

and used a find-and-replace operation

ועשינו פעולת חפש-והחלף

to replace targeted codons with their synonyms.

כדי להחליף קודונים נבחרים בקודונים הנרדפים שלהם.

This created our new genome design,

כך נוצרה תבנית גנומית חדשה,

which contained more than 18,000 changes with respect to the original genome.

שמכילה יותר מ-18,000 שינויים בהשוואה לגנום המקורי.

We then asked whether we could build an organism

ואז שאלנו אם נוכל לבנות אורגניזם

that runs on our synthetic genome design.

שפועל לפי התבנית הגנומית הסינתטית שיצרנו.

We built the synthetic genome starting from short pieces of DNA.

התחלנו לבנות את הגנום הסינתטי בעזרת פיסות קצרות של DNA.

These were made by chemistry in a test tube,

אלה נוצרו בעזרת כימיה במבחנה,

something that would have been prohibitively expensive to do

משהו שהיה יקר יותר מדי לעשות

on this scale just a decade or two ago.

בסדר הגודל הזה רק לפני עשור או שניים.

We then assembled these short pieces of DNA

אחר כך הרכבנו את חלקי ה-DNA הקצרים

into longer stretches of DNA,

למקטעים ארוכים יותר של DNA,

which we then used to step-by-step replace

ואז השתמשנו בהם להחליף צעד אחר צעד

all four million bases of the E. coli genome.

את כל ארבעה מיליון הבסיסים של הגנום של E. coli.

This created the largest synthetic genome ever made.

כך נוצר הגנום הסינתטי הגדול ביותר אי פעם.

And the resulting cell was alive.

והתא שנוצר היה חי.

Think about that.

תחשבו על זה.

We streamlined the genetic code, and yet the cell lived.

כיווצנו את הקוד הגנטי, ועדיין התא חי.

We can create life with a compressed genetic code.

אנחנו יכולים ליצור חיים בעלי קוד גנטי דחוס.

Now because our organism with a compressed genetic code

משום שהאורגניזם שלנו בעל הקוד הגנטי המכווץ

doesn't use all 64 triplet codons to make proteins,

לא משתמש בכל 64 הקודונים ליצירת חלבונים,

we could remove some of the machinery from the cell

יכולנו להסיר חלק מהמנגנונים בתא

that normally reads the near-universal genetic code.

שבאופן נורמלי קוראים את הקוד הגנטי הכמעט-אוניברסלי.

Specifically, we could remove components of the translational machinery,

ספציפית, יכולנו להסיר מרכיבים של מנגנוני התרגום,

specific tRNAs,

tRNA מסוימים,

that normally read the codons that we've removed from the genome.

שבאופן רגיל קוראים את הקודונים שהסרנו מהגנום.

Now, the key point here is that we've created a cell

עכשיו, נקודת המפתח כאן היא שיצרנו תא

that no longer reads all the codons in the near-universal genetic code.

שכבר לא יודע לקרוא את כל הקודונים בקוד הגנטי הכמעט-אוניברסלי.

Now viruses infect cells.

עכשיו וירוסים מדביקים תאים.

These might be the cells of our bodies

אלה יכולים להיות תאי הגוף שלנו

or single-celled microbes like E.coli.

או מיקרובים חד-תאיים כמו E. coli.

They commonly have their own DNA,

לרוב יש להם DNA משלהם,

which uses the near-universal genetic code

שמשתמש בקוד הגנטי בכמעט-אוניברסלי

to encode the proteins necessary to make copies of the virus.

לקודד את החלבונים הדרושים ליצירת עותקים של הווירוס.

But viruses don't have the machinery to read the genetic code in their DNA,

אבל לווירוסים אין את המנגנונים שקוראים את הקוד הגנטי ב-DNA שלהם,

and instead they rely on the host cell, the machinery of the host cell,

במקום זה הם תלויים בתא המארח, במנגנונים של התא המארח,

to read the genetic code in their DNA

כדי לקרוא את הקוד הגנטי ב-DNA שלהם

and make copies of the virus.

וליצור עותקים של הווירוס.

It's these copies of the virus that go on to infect other cells.

עותקים אלה של הווירוס מדביקים אחר כך תאים אחרים.

And this is how viruses spread.

וככה וירוסים מתפשטים.

But viruses are unable to make copies of themselves in our new organism

אבל וירוסים לא מסוגלים ליצור עותקים של עצמם באורגניזם החדש שלנו

because our new organism doesn't have the machinery

כי באורגניזם החדש אין את המנגנונים

to read all the codons in the DNA of the virus.

שיכולים לקרוא את הקודונים ב-DNA של הווירוס.

The code in the DNA used in the virus

קוד ה-DNA של הווירוס

and the host cell's machinery to read that code are incompatible.

והמנגנונים של התא המארח שקוראים את הקוד אינם מתאימים.

Therefore, the virus doesn’t spread in the new organism,

לכן, הווירוס לא מתפשט באורגניזם החדש,

and the new organism is resistant to viruses.

והאורגניזם החדש עמיד בפני וירוסים.

In fact, we showed that our new organism was resistant to a wide range of viruses,

למעשה, הראינו שהאורגניזם החדש שלנו עמיד בפני שורה רחבה של וירוסים,

suggesting that rewriting the genetic code

מה שמראה אולי ששיכתוב הקוד הגנטי

provides a route to creating broadly virus-resistant life.

מספק דרך ליצירת חיים עמידים בפני וירוסים.

By extending the approaches we've developed to other organisms,

על ידי הרחבת הגישות שפיתחנו לאורגניזמים אחרים,

it may be possible to create virus-resistant crops and animals

ייתכן שיהיה אפשר ליצור צמחים ובעלי חיים עמידים לווירוסים

with important applications in agriculture and beyond.

עם יישומים חשובים בחקלאות ומעבר.

But our advances also provide a foundation

אבל הפיתוח שלנו גם מספק בסיס

for turning cells into the clean factories of the future.

להפיכת תאים למפעלים הנקיים של העתיד.

How?

איך?

So to explain, let me take another step back

אז כדי להסביר, בואו נלך עוד צעד אחורה

to how organisms read their genetic code to make proteins.

לאופן שבו אורגניזמים קוראים את הקוד הגנטי שלהם ליצירת חלבונים.

Recall that the order of triplet codons in DNA

זכרו שסדר הקודונים המשולשים ב-DNA

encodes the order of amino acid building blocks in a protein.

מקודד את סדר חומצות האמינו שהן אבני הבניין של חלבון.

And it's the translational machinery of cells

ומנגנוני התרגום של התא

that reads the triplet codons

הם אלה שקוראים את הקודונים המשולשים

and builds the corresponding sequence of amino acids.

ובונים את הרצף המתאים של חומצות אמינו.

The translational machinery of natural cells --

מנגנוני התרגום של תאים טבעיים --

including ribosomes,

כולל ריבוזומים,

aminoacyl-tRNA synthetase enzymes and tRNAs --

אנזימי אמינואציל-tRNA סינתטאז וגם tRNA --

is a unique and special system for making proteins

הם מערכת ייחודית ומיוחדת ליצירת חלבונים

in which the 20 common amino acids are strung together in a chain.

שבה 20 חומצות האמינו הנפוצות נקשרות יחד בשרשרת.

Now, proteins are amazing,

עכשיו, חלבונים הם מדהימים,

but they're just one example

אבל הם רק דוגמה אחת

from a vast class of molecules known as polymers,

לקטגוריה עצומה של מולקולות שידועות בשם פולימרים,

which includes plastics, materials and drugs.

כולל פלסטיק, חומרים ותרופות.

And the polymer or linear polymer is really any molecule

והפולימר או פולימר לינארי הוא בעצם כל מולקולה

in which simpler chemical building blocks are strung together in a chain.

שבה אבני בניין כימיות נקשרות יחד בשרשרת.

We wanted to unlock the potential of the translational machinery

רצינו לשחרר את הפוטנציאל של מנגנוני התרגום

for making plastics, materials and drugs

ליצור פלסטיקה, חומרים ותרופות

that simply can't be made in any other way,

שפשוט אי אפשר לייצר בדרך אחרת,

or that could be made more cleanly and efficiently

או שאפשר לייצר בצורה נקייה ויעילה יותר

using engineered versions of the cell's translational machinery.

בעזרת גרסאות מהונדסות של מנגנוני התרגום של התא.

The building blocks for these polymers

אבני הבניין של הפולימרים האלה

go well beyond the 20 common amino acids used to make proteins.

הם הרבה יותר מ-20 חומצות האמינו הנפוצות שמשמשות ליצירת חלבונים.

It's been impossible to unlock the potential

זה היה בלתי אפשרי לפצח את הפוטנציאל

of the translational machinery for making plastics, materials and drugs

של מנגנוני התרגום ליצירת פלסטיק, חומרים ותרופות

for two reasons.

משתי סיבות.

First, all 64 triplet codons in natural cells

ראשית, כל 64 הקודונים המשולשים בתאים טבעיים

are used for making natural proteins,

משמשים ליצירת חלבונים טבעיים,

and there are simply no codons available to encode the synthesis of new polymers.

ופשוט אין קודונים שמקודדים את הסינתזה של פולימרים חדשים.

Second, the natural translational machinery

שנית, מנגנוני התרגום הטבעיים

specifically uses natural amino acids

משתמשים ספציפית בחומצות אמינו טבעיות

and simply can't use the chemical building blocks

ופשוט לא יכולים להשתמש באבני בניין כימיות

required to make new polymers.

הדרושות ליצירת פולימרים חדשים.

However, a virus-resistant organism

אבל, אורגניזם עמיד בפני וירוסים

doesn't use all 64 triplet codons to make proteins

לא משתמש בכל 64 הקודונים המשולשים ליצירת חלבונים

and doesn't contain the machinery to read the codons

ולא מכיל את המנגנון שקורא את הקודונים

that have been deleted from its genome.

שנמחקו מהגנום שלו.

And this cell provides the starting point for genetically-encoded polymer synthesis.

והתא הזה מספק נקודת התחלה לסינתזת פולימרים מקודדת גנטית.

To realize genetically-encoded polymer synthesis

כדי להגשים סינתזת פולימרים מקודדת גנטית

in our virus-resistant organism,

באורגניזם העמיד בפני וירוסים,

we added synthetic DNA containing the triplet codons

הוספנו DNA סינתטי שמכיל את הקודונים המשולשים

we'd removed from the genome of the cell

שהסרנו מהגנום של התא

and engineered translational machinery to read these codons

והינדסנו מנגנוני תרגום שיקראו את הקודונים האלה

and reassign them to new chemical building blocks for new polymers.

ויתאימו אותם לאבני בניין כימיות חדשות לפולימרים חדשים.

This system can be programmed to make diverse synthetic polymers.

ניתן לתכנת את המערכת הזו ליצור פולימרים סינתטיים מגוונים.

By changing the order of the triplet codons

על ידי שינוי הסדר של הקודונים המשולשים

in the synthetic DNA,

ב-DNA הסינתטי,

we can change the order of the chemical building blocks

אנחנו יכולים לשנות את הסדר של אבני הבניין הכימיות

that we program into the resulting polymer.

שאנחנו מתכנתים לפולימר שנוצר.

And by changing the identity of the engineered translational machinery

ועל ידי שינוי הזהות של מנגנוני התרגום המהונדסים

that we add to the cell,

שאנחנו מוסיפים לתא,

we can change the identity of the chemical building blocks

אנחנו יכולים לשנות את הזהות של אבני הבניין הכימיות

from which we compose the polymer.

שמהן אנו מרכיבים את הפולימר.

Overall, we've created a cellular factory

בשורה התחתונה, יצרנו מפעל ייצור תאי

that we can reliably and predictably program

שאפשר לתכנת בצורה מהימנה וצפויה

to make synthetic polymers.

ליצירת פולימרים סינתטיים.

Using our approach, we've already been able to program cells

בעזרת הגישה שלנו, הצלחנו כבר לתכנת תאים

to make new molecules,

ליצור מולקולות חדשות,

including molecules from an important class of drugs

כולל מולקולות ממחלקה חשובה של תרופות

known as depsipeptide macrocycles.

שנקראת דפסיפפטיד מקרוציקלי.

Molecules in this class include antibiotics,

מולקולות מסוג זה כוללות אנטיביוטיקה,

immunosuppressives and anti-tumor compounds.

מדכאים של מערכת החיסון ורכיבים אנטי-סרטניים.

We've also been able to program cells to make completely synthetic polymers

הצלחנו גם לתכנת תאים ליצור פולימרים סינתטיים לחלוטין

containing the chemical linkages found

שמכילים את הקשר הכימי שנמצא

in several classes of biodegradable plastics.

במספר סוגים של פלסטיק מתכלה.

As we build new polymer molecules using our cellular factories,

כשאנחנו בונים פולימרים חדשים בעזרת המפעל התאי שלנו,

we have the opportunity to consider from the beginning

יש לנו ההזדמנות לחשוב מההתחלה

how we might also use engineered biological cells

איך עוד ניתן להשתמש בתאים ביולוגיים מהונדסים

to break these polymers down

לפרק את הפולימרים האלה

into their constituent chemical building blocks

לאבני הבניין הכימיות שלהם

that could be recycled and used for new encoded polymers.

שאותם יהיה ניתן למחזר וליצור מהם פולימרים מקודדים חדשים.

We envision a circular bioeconomy

החזון שלנו הוא ביו-כלכלה מעגלית

in which our new genetically-encoded plastics and materials

שבה פלסטיק וחומרים חדשים מקודדים גנטית

are manufactured and ultimately broken down

מיוצרים ובסוף גם מפורקים

using low-energy cellular processes,

בעזרת תהליכים תאיים שצורכים מעט אנרגיה,

taking advantage of existing bioreactors and fermenters.

ומנצלים ביוריאקטורים ופרמנטורים קיימים.

By taking inspiration from nature and reimagining what life can become,

על ידי השראה מהטבע ודמיון מחדש מה החיים יכולים להיות,

we have the opportunity to build the sustainable industries of the future.

יש לנו הזדמנות לבנות את התעשיות בנות הקיימא של העתיד.

Thank you.

תודה.

(Applause)

(מחיאות כפיים)