How to build synthetic DNA and send it across the internet | Dan Gibson

翻訳: Tomoyuki Suzuki 校正: Yasushi Aoki

Alright, let me tell you about building synthetic cells

さて 皆さんに 人工細胞を作り

生命をプリントすることについて お話しします

and printing life.

But first, let me tell you a quick story.

でも その前に ちょっとエピソードを

On March 31, 2013,

2013年3月31日のこと

my team and I received an email from an international health organization,

私たちの研究チームは 国際的な保健機関から 一通のメールを受け取りました

alerting us that two men died in China

中国で２人の男性が H7N9型鳥インフルエンザに感染し

shortly after contracting the H7N9 bird flu.

間もなく死亡したという知らせです

There were fears of a global pandemic

世界的な流行の おそれがありました

as the virus started rapidly moving across China.

ウィルスは中国全土に 急速に広がり始めていたからです

インフルエンザのワクチンを製造し

Although methods existed to produce a flu vaccine

and stop the disease from spreading,

流行を抑える手段はありましたが

at best, it would not be available for at least six months.

ワクチンが整うには少なくとも ６か月はかかることでしょう

This is because a slow, antiquated flu vaccine manufacturing process

70年以上前に開発された 時間のかかる時代遅れのやり方が

developed over 70 years ago was the only option.

ワクチンを製造する 唯一の方法だったからです

The virus would need to be isolated from infected patients,

ウィルスを感染した患者から分離し

packaged up and then sent to a facility

梱包し 施設へと送り届け

where scientists would inject the virus into chicken eggs,

そこで科学者たちが ウィルスを鶏卵に注入し

and incubate those chicken eggs for several weeks

数週間かけて鶏卵の中で ウィルスを培養し

in order to prepare the virus for the start of a multistep,

そうやって何段階ものステップと 何か月もの時間がかかる

multimonth flu vaccine manufacturing process.

インフルエンザ・ワクチン製造過程が 始まるのです

My team and I received this email

私たちが メールを受け取ったのは

because we had just invented a biological printer,

生物学的なプリンターを ちょうど発明したところだったからです

which would allow for the flu vaccine instructions

これはネットからダウンロードした 製造指示書から

to be instantly downloaded from the internet and printed.

すぐにワクチンを プリントすることができます

Drastically speeding up the way in which flu vaccines are made,

インフルエンザ・ワクチンの 製造過程を劇的に速め

and potentially saving thousands of lives.

多くの人々の命を救う可能性を 秘めています

The biological printer leverages our ability to read and write DNA

生物学的プリンターは DNAを解読し作製する能力を高め

and starts to bring into focus

我々が「生物学的瞬間移動」と 呼んでいることも

what we like to call biological teleportation.

視野に入ってきます

I am a biologist and an engineer who builds stuff out of DNA.

私は生物学者兼技術者で DNAから様々な物質を作り出しています

Believe it or not, one of my favorite things to do

信じてもらえないかもしれませんが 私のお気に入りの作業は

is to take DNA apart and put it back together

DNAを切断し 再び結合させて

so that I can understand better how it works.

DNAの仕組みを理解することです

I can edit and program DNA to do things, just like coders programing a computer.

DNAは コンピューターのコードのように 編集やプログラミングができますが

But my apps are different.

私が作るアプリは独特で

They create life.

生命を作り出すんです

Self-replicating living cells and things like vaccines and therapeutics

自己複製する生きた細胞や ワクチンや治療薬のようなもので

that work in ways that were previously impossible.

以前には作れなかったような 働きがあります

Here's National Medal of Science recipient Craig Venter

ここに写っているのは アメリカ国家科学賞 受賞者クレイグ・ヴェンターと

and Nobel laureate Ham Smith.

ノーベル賞受賞者の ハミルトン・スミスです

These two guys shared a similar vision.

彼らは共通のビジョンを持っています

That vision was, because all of the functions and characteristics

それは ウィルスや生細胞など

of all biological entities, including viruses and living cells,

あらゆる生物的存在の機能や特徴は

are written into the code of DNA,

DNAにプログラムされているのだから

if one can read and write that code of DNA,

そのコードを読み書きできれば

then they can be reconstructed in a distant location.

遠く離れた場所でも 再構成出来るはずということです

これが「生物学的瞬間的移動」の 意味することです

This is what we mean by biological teleportation.

To prove out this vision,

このビジョンの正しさを証明するため

Craig and Ham set a goal of creating, for the first time,

クレイグとハミルトンは初の試みとして コンピューター上にあるDNAのコードから

a synthetic cell, starting from DNA code in the computer.

人工細胞を作るという 目標を定めました

I mean, come on, as a scientist looking for a job,

最先端技術の研究の仕事を 探している一科学者として

doing cutting-edge research, it doesn't get any better than this.

こんなに そそられるものは ありません

(Laughter)

（笑）

OK, a genome is a complete set of DNA within an organism.

さて ゲノムとは生物内部にある DNAの全体を意味しています

Following the Human Genome Project in 2003,

2003年に完了したヒトゲノム計画は

which was an international effort to identify

人類の完全な遺伝子情報を 明らかにするという

the complete genetic blueprint of a human being,

国際的な試みでしたが これに続くようにして

a genomics revolution happened.

ゲノミクス（遺伝子学）に 革命が起こりました

Scientists started mastering the techniques for reading DNA.

科学者はDNAを読み取る技術に 熟達していきました

In order to determine the order of the As, Cs, Ts and Gs

生物の持つ A、C、T、Gの塩基配列を

within an organism.

決定するためです

But my job was far different.

一方 私の研究は かなり異なっていて

I needed to master the techniques for writing DNA.

DNAを作製する技術に 熟達する必要がありました

Like an author of a book,

作家のように

this started out as writing short sentences,

DNAの短い文を

or sequences of DNA code,

書くことから始め

but this soon turned into writing paragraphs

それから段落を書き

and then full-on novels of DNA code,

ついにはDNAでできた 小説全体を書き上げ

to make important biological instructions for proteins and living cells.

タンパク質や生細胞を作る 生物学的な指示書を作成するのです

Living cells are nature's most efficient machines at making new products,

生細胞というのは新製品を作り出す上で 自然界に存在する最も効率的な機械で

accounting for the production

その生産高は

of 25 percent of the total pharmaceutical market,

医薬品市場全体の25％に相当し

which is billions of dollars.

数十億ドル規模にもなります

We knew that writing DNA would drive this bioeconomy even more,

細胞をコンピューターのように プログラムできるようになれば

once cells could be programmed just like computers.

DNA作製は生物経済を さらに発展させ

We also knew that writing DNA would enable biological teleportation ...

生物学的瞬間移動も可能になると 分かっていました

the printing of defined, biological material,

DNAが記述する 生物物質を

starting from DNA code.

DNAを元にプリントする ということです

As a step toward bringing these promises to fruition,

この夢を実現する 最初のステップとして

our team set out to create, for the first time,

私たちの研究チームは 世界で初めて

a synthetic bacterial cell,

コンピューター上のDNA情報から 人工的なバクテリア細胞を作り出そうと

starting from DNA code in the computer.

取り組み始めました

Synthetic DNA is a commodity.

人工DNAは市販商品です

You can order very short pieces of DNA from a number of companies,

短いDNA断片の製造を 請け負う会社がいくつもあり

and they will start from these four bottles of chemicals that make up DNA,

DNAを構成する化学物質である G、A、T、Cの入った

G, A, T and C,

この４本の瓶から始めて

and they will build those very short pieces of DNA for you.

短いDNA断片を作ってくれます

Over the past 15 years or so,

これまでの15年間ほど

my teams have been developing the technology

私たちのチームは

短いDNA断片を繋ぎ合わせて バクテリアの完全なゲノムを作る

for stitching together those short pieces of DNA

into complete bacterial genomes.

技術を開発してきました

The largest genome that we constructed contained over one million letters.

最も長いゲノムは 百万文字以上の長さになりました

Which is more than twice the size of your average novel,

これは平均的な小説の ２倍の長さに相当しますが

and we had to put every single one of those letters in the correct order,

これをただの一文字のミスもなく 作り上げる必要がありました

without a single typo.

これをただの一文字のミスもなく 作り上げる必要がありました

We were able to accomplish this by developing a procedure

これはある手法を開発することで 可能になり

that I tried to call the "one-step isothermal in vitro recombination method."

私はそれを「単一工程生体外等温再構成法」 と名付けようとしましたが—

(Laughter)

（笑）

But, surprisingly, the science community didn't like this technically accurate name

驚いたことに 科学界は 技術的に正確なこの名前がお気に召さず

and decided to call it Gibson Assembly.

「ギブソン・アセンブリ」と命名しました

Gibson Assembly is now the gold standard tool,

これは 今では標準的な手法となっていて

used in laboratories around the world

世界中の研究室で

for building short and long pieces of DNA.

長短さまざまなDNAを作製するのに 使われています

(Applause)

（拍手）

Once we chemically synthesized the complete bacterial genome,

バクテリアのゲノムを 化学的に合成できるようになったら

our next challenge was to find a way

次の課題は これを元に

to convert it into a free-living, self-replicating cell.

自己複製を行うことができる 生命を宿した細胞を作ることです

Our approach was to think of the genome as the operating system of the cell,

我々のアプローチは ゲノムは 細胞のOS（基本ソフト）であり

with the cell containing the hardware necessary to boot up the genome.

細胞はゲノムの起動に必要な ハードウェアとみなすというものです

Through a lot of trial and error,

様々な試行錯誤を繰り返し

we developed a procedure where we could reprogram cells

細胞を再プログラムし さらには

and even convert one bacterial species into another,

細胞のゲノムを 別の細胞のゲノムで置換することで

by replacing the genome of one cell with that of another.

バクテリアを別の種に変えてしまう 方法も開発しました

This genome transplantation technology then paved the way

このゲノム移植技術によって

母なる自然ではなく 科学者が作製したゲノムを

for the booting-up of genomes written by scientists

起動させる道が開けました

and not by Mother Nature.

In 2010, all of the technologies

2010年には

DNAを読み取り 作製するために 開発した技術を総動員して

that we had been developing for reading and writing DNA

all came together when we announced the creation

史上初の人工細胞を 作り出したことを発表し

of the first synthetic cell,

史上初の人工細胞を 作り出したことを発表し

which of course, we called Synthia.

今回は「シンシア」(Synthia)と 命名しました

(Laughter)

（笑）

Ever since the first bacterial genome was sequenced, back in 1995,

バクテリアのゲノムの塩基配列が 1995年に初めて決定されて以来

thousands more whole bacterial genomes have been sequenced and stored

何千ものバクテリアの 全塩基配列が決定され

in computer databases.

コンピューター上のデータベースに 保存されてきました

Our synthetic cell work was the proof of concept

人工細胞に関する我々の研究は この逆の手順が

that we could reverse this process:

可能であることを 証明するものでした

pull a complete bacterial genome sequence out of the computer

コンピューターから取り出した バクテリアの完全な塩基配列を

and convert that information into a free-living, self-replicating cell,

期待される特徴をすべて備える 生きた自己複製する細胞へと

with all of the expected characteristics of the species that we constructed.

変換することが できたのです

Now I can understand why there may be concerns

このようなレベルの 遺伝子操作をすることについて

about the safety of this level of genetic manipulation.

安全性の懸念があるのは 理解できます

While the technology has the potential for great societal benefit,

この技術は 社会にとても役立つ可能性を 秘めている一方

害をもたらす可能性もあります

it also has the potential for doing harm.

With this in mind, even before carrying out the very first experiment,

このことに留意し 最初の実験を始める前から

our team started to work with the public and the government

私たちは 一般の人々や政府と共に

to find solutions together

この新しい技術を 責任をもって開発し

to responsibly develop and regulate this new technology.

規制するための 方法を探り始めました

One of the outcomes from those discussions was to screen every customer

そのような議論から得られた 結論の一つは

DNA合成のすべての発注者と 発注内容を精査し

and every customer's DNA synthesis orders,

to make sure that pathogens or toxins are not being made by bad guys,

病原菌や毒物を 悪者が作ったり

科学者が偶然作ってしまうことが ないようにするということです

or accidentally by scientists.

All suspicious orders are reported to the FBI

疑わしき注文はすべて

FBIや その他の関連する法執行機関に 報告されます

and other relevant law-enforcement agencies.

Synthetic cell technologies will power the next industrial revolution

人工細胞技術は 次の産業革命の原動力になり

and transform industries and economies

世界的なサステナビリティの 問題解決に貢献するような形で

in ways that address global sustainability challenges.

産業界や経済界に 変革をもたらすことでしょう

The possibilities are endless.

可能性は無限大です

I mean, you can think of clothes

例えば

constructed form renewable biobased sources,

再生可能な 生物的資源から作られた衣服

cars running on biofuel from engineered microbes,

合成微生物が生み出す バイオ燃料で走る車

plastics made from biodegradable polymers

生分解性ポリマーから作られた プラスチック

and customized therapies, printed at a patient's bedside.

患者に合わせた特製の治療薬を ベッド脇でプリントすることなどが考えられます

The massive efforts to create synthetic cells

人工細胞を作り出すための 大いなる努力によって

have made us world leaders at writing DNA.

我々はDNA作製の 最先端に立ちました

Throughout the process, we found ways to write DNA faster,

この過程で DNAをより速く より正確に より高い信頼性で

more accurately and more reliably.

作成する方法を 見いだしてきました

Because of the robustness of these technologies,

これらの技術のロバスト性により

we found that we could readily automate the processes

作成手順を自動化して

科学者が実験室で 手作業を行っていたことを

and move the laboratory workflows out of the scientist's hands

機械で行えることに 気付きました

and onto a machine.

In 2013, we built the first DNA printer.

2013年に 初のDNAプリンターが 完成しました

We call it the BioXp.

BioXpといいます

And it has been absolutely essential in writing DNA

私達や世界中の研究者が 取り組んでいる

across a number of applications

数々の応用において

my team and researchers around the world are working on.

この装置はDNA作製のため 不可欠なものとなっています

BioXpが完成して直ぐ後に

It was shortly after we built the BioXp

that we received that email about the H7N9 bird flu scare in China.

中国で発生したH7N9型鳥インフルエンザの 脅威に関するメールを受信しました

A team of Chinese scientists had already isolated the virus,

中国の科学者チームは 既にウィルスを分離し

sequenced its DNA and uploaded the DNA sequence to the internet.

DNAの塩基配列を解明して ネット上にアップしていました

At the request of the US government, we downloaded the DNA sequence

我々は米国政府の要請を受けて DNA塩基配列をダウンロードし

and in less than 12 hours, we printed it on the BioXp.

12時間も経たないうちに BioXpでこれをプリントしました

Our collaborators at Novartis

製薬会社ノバルティスの 協力者たちは

then quickly started turning that synthetic DNA into a flu vaccine.

直ちに この人工DNAを インフルエンザワクチンへと変えていきました

Meanwhile, the CDC, using technology dating back to the 1940s,

その間 アメリカ疾病管理予防センターは 1940年代以来のやり方によって

was still waiting for the virus to arrive from China

中国からウィルスの サンプルが届くのを待ち

so that they could begin their egg-based approach.

鶏卵を使った手法を 開始する準備を整えていました

For the first time, we had a flu vaccine developed ahead of time

我々は史上初めて 新型の 危険性が高いウィルス株のワクチンを

for a new and potentially dangerous strain,

流行する前に 製造することができ

and the US government ordered a stockpile.

米国政府は備蓄用に これを注文しました

(Applause)

（拍手）

This was when I began to appreciate, more than ever,

私は この時になって初めて

生物学的瞬間移動の威力を 本当に理解するに至りました

the power of biological teleportation.

(Laughter)

生物学的瞬間移動の威力を 本当に理解するに至りました

Naturally, with this in mind,

このこともあって 我々は自然な成り行きとして

we started to build a biological teleporter.

生物学的瞬間移動装置の 製作を始めました

We call it the DBC.

この装置をDBCと呼んでいます

That's short for digital-to-biological converter.

デジタル－バイオ・コンバーターの略です

Unlike the BioXp,

予め作られた DNAの短い断片を元にする

which starts from pre-manufactured short pieces of DNA,

BioXpとは異なり

the DBC starts from digitized DNA code

DBCはデジタル化された DNAから始め

and converts that DNA code into biological entities,

それを生物的な実体 ―

such as DNA, RNA, proteins or even viruses.

DNA、RNA、タンパク質さらには ウィルスといったものに変換します

You can think of the BioXp as a DVD player,

BioXpは 物理的なDVDを 入れる必要がある

requiring a physical DVD to be inserted,

DVDプレイヤーであるのに対し

DBCはNetflixだと 考えるといいでしょう

whereas the DBC is Netflix.

To build the DBC,

DBCを作るために

my team of scientists worked with software and instrumentation engineers

科学者のチームが ソフトウェアエンジニアや 計装エンジニアと共同して

to collapse multiple laboratory workflows,

実験室における 複数の作業工程の全てを

all in a single box.

１つの装置にまとめました

This included software algorithms to predict what DNA to build,

これに含まれるものには 作製されるDNAを予測するソフトウェア

chemistry to link the G, A, T and C building blocks of DNA into short pieces,

DNAの基本単位であるG、A、T、Cを 短いDNA断片にする化学

Gibson Assembly to stitch together those short pieces into much longer ones,

短い断片をより長いものに繋げる ギブソン・アセンブリ

and biology to convert the DNA into other biological entities,

それに DNAをタンパク質といった 生物学的実体に変換する

such as proteins.

生物学があります

This is the prototype.

これが試作機です

Although it wasn't pretty, it was effective.

見た目はともかく うまく機能します

It made therapeutic drugs and vaccines.

治療薬やワクチンを作れました

And laboratory workflows that once took weeks or months

実験室では数週間から 数か月掛かっていた作業工程が

could now be carried out in just one to two days.

わずか １日か２日で できるようになりました

And that's all without any human intervention

まったく人間の手を 介さずに機能し

and simply activated by the receipt of an email

世界のどこかから送られてきた メールによって

which could be sent from anywhere in the world.

起動することができます

We like to compare the DBC to fax machines.

私達はよくDBCを ファックスにたとえています

But whereas fax machines received images and documents,

ファックスで受け取るのは 画像や文書ですが

the DBC receives biological materials.

DBCで受け取るのは 生物学的な物質です

Now, consider how fax machines have evolved.

ファックスの進化の歴史を 振り返ってみると

The prototype of the 1840s is unrecognizable,

1840年代に作られた試作機は

compared with the fax machines of today.

ファックスに見えないくらい 現在のものと大きく異なっていました

In the 1980s, most people still didn't know what a fax machine was,

1980年代においてすら たいていの人は ファックスを知りませんでしたが

and if they did,

知っていたとしても

it was difficult for them to grasp the concept

画像を地球の反対側で 即座に再生するという概念は

of instantly reproducing an image on the other side of the world.

理解するのが困難でした

But nowadays, everything that a fax machine does

現在ではファックスの全ての機能は

is integrated on our smart phones,

スマホに組み込まれていて

and of course, we take this rapid exchange of digital information for granted.

誰もがこのデジタル情報の高速なやり取りを 当たり前のものと考えています

Here's what our DBC looks like today.

現在のDBCはこんな感じです

We imagine the DBC evolving in similar ways as fax machines have.

DBCはファックスのように 進化することでしょう

We're working to reduce the size of the instrument,

私たちは装置の小型化や

and we're working to make the underlying technology

基盤をなす技術の信頼性向上

more reliable, cheaper, faster and more accurate.

低価格化、高速化や 正確さの向上に取り組んでいます

Accuracy is extremely important when synthesizing DNA,

正確さは人工DNAの製作において 極めて重要です

because a single change to a DNA letter

DNAの１文字の間違いで

could mean the difference between a medicine working or not

薬の効能が無くなったり

or synthetic cell being alive or dead.

人工細胞の死に 繋がりうるからです

The DBC will be useful for the distributed manufacturing

DBCは DNAから作られる薬品の

of medicine starting from DNA.

分散製造に役立ちます

Every hospital in the world could use a DBC

世界中の病院がDBCを使って

for printing personalized medicines for a patient at their bedside.

患者に合わせた特製の薬を ベッド脇でプリントできることでしょう

I can even imagine a day when it's routine for people to have a DBC

それどころか 人々がDBCを

自宅用パソコンやスマホと繋げて

to connect to their home computer or smart phone

インスリンや抗体療法の処方箋を ダウンロードするのが

as a means to download their prescriptions,

当たり前になる日が来るとさえ 思っています

such as insulin or antibody therapies.

The DBC will also be valuable when placed in strategic areas around the world,

疫病の突然発生に迅速に対応するため 戦略的な場所に

for rapid response to disease outbreaks.

DBCを設置することも 有効でしょう

For example, the CDC in Atlanta, Georgia

例えばジョージア州のアトランタにある 疾病予防管理センターから

could send flu vaccine instructions to a DBC on the other side of the world,

インフルエンザ・ワクチンの処方箋を 地球の反対側にあるDBCに送り

where the flu vaccine is manufactured right on the front lines.

疫病発生の最前線で ワクチンを製造することが可能です

That flu vaccine could even be specifically tailored to the flu strain

インフルエンザ・ワクチンは その地域特有のウィルス株に合わせて

that's circulating in that local area.

製造することも可能です

Sending vaccines around in a digital file,

ワクチンを貯蔵しておいて 配送するのではなく

rather than stockpiling those same vaccines and shipping them out,

デジタルファイルとして 様々な場所に送ることで

promises to save thousands of lives.

多くの命が救われることでしょう

Of course, the applications go as far as the imagination goes.

もちろん 応用は考えられる限り 何でもあり得ます

It's not hard to imagine placing a DBC on another planet.

DBCを他の惑星に設置することだって 想像するに難くありません

Scientists on Earth could then send the digital instructions to that DBC

地球にいる科学者が 異星のDBCにデジタル処方箋を送り

to make new medicines or to make synthetic organisms

新薬を作ったり

酸素、食料、燃料、建築資材を生成する 人工生命体を作ったりして

that produce oxygen, food, fuel or building materials,

人類がもっと住みやすい惑星に 作り変える手段にできます

as a means for making the planet more habitable for humans.

（拍手）

(Applause)

With digital information traveling at the speed of light,

デジタル情報は 光速で伝わるので

it would only take minutes to send those digital instructions

処方箋を地球から火星に 伝達するのに掛かる時間は

from Earth to Mars,

わずか数分ですが

but it would take months to physically deliver those same samples

同じサンプルを宇宙船に乗せて 物理的に届けようとしたら

on a spacecraft.

何か月も掛かるでしょう

But for now, I would be satisfied beaming new medicines across the globe,

しかし今のところは新薬を 完全自動化、オンデマンドで

fully automated and on demand,

世界中に瞬間的に届けることで

saving lives from emerging infectious diseases

勃発する伝染病から命を救い 個人向けに合成された抗がん剤を

and printing personalized cancer medicines for those who don't have time to wait.

一刻を争う患者さんのために プリント出来れば 満足です

ありがとうございました

Thank you.

(Applause)

（拍手）