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

翻訳: Charlotte Swift 校正: Yasushi Aoki

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

世界で最もすばらしい機械と

それで 現在何ができるかについて お話ししたいと思います

and what we can now do with them.

Proteins,

タンパク質は

some of which you see inside a cell here,

ここにある 細胞の中に見られますが

carry out essentially all the important functions in our bodies.

基本的に 体の重要な機能の 全てを担っています

Proteins digest your food,

タンパク質は 食べ物を消化し

contract your muscles,

筋肉を収縮させ

fire your neurons

神経細胞を発火させ

and power your immune system.

免疫系を支えています

Everything that happens in biology --

生物に起こる現象の

almost --

ほとんどすべてが

happens because of proteins.

タンパク質のおかげで 起きています

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

タンパク質はアミノ酸と呼ばれる 構成要素が鎖状に並んだものです

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

自然界は 20種のアミノ酸を アルファベットとして使います

some of which have names you may have heard of.

いくつかは名前を聞いたことが あるかもしれません

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

これはタンパク質の絵で それぞれの粒は原子です

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

この長いひも状の分子は アミノ酸の間に作用する化学的な力によって

to fold up into unique, three-dimensional structures.

特有の３次元構造へと 折りたたまれます

The folding process,

この折りたたみの過程には

while it looks random,

規則性がないように 見えますが

is in fact very precise.

実際はごく正確なもので

Each protein folds to its characteristic shape each time,

それぞれのタンパク質は毎回 その特有な形へと折りたたまれ

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

折りたたみのプロセスは ほんの一瞬で終わります

And it's the shapes of proteins

このタンパク質の形が

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

その素晴らしい生物学的機能を 実現できるようにしています

For example,

例えば

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

ヘモグロビンは 肺の中にあるときは

酸素の分子と結合するのに 適した形をしています

for binding a molecule of oxygen.

When hemoglobin moves to your muscle,

ヘモグロビンが 筋肉へ移動すると

the shape changes slightly

形がやや変わり

and the oxygen comes out.

酸素が放出されます

The shapes of proteins,

タンパク質の形と

and hence their remarkable functions,

それ故のすばらしい機能は

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

タンパク質の鎖にあるアミノ酸の 配列によって完全に決まります

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

この絵の上端の文字の 一つ一つがアミノ酸です

Where do these sequences come from?

この配列はどこから 来るのでしょうか？

The genes in your genome specify the amino acid sequences

ゲノムにある遺伝子がタンパク質の アミノ酸配列を決めます

of your proteins.

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

一つの遺伝子が一つのタンパク質の アミノ酸配列を符号化しています

The translation between these amino acid sequences

これらのアミノ酸配列を

タンパク質の構造と機能へと 翻訳することは

and the structures and functions of proteins

is known as the protein folding problem.

「タンパク質折りたたみ問題」として 知られています

It's a very hard problem

これは非常に 難しい問題で

１つのタンパク質は多くの 異なった形になり得るからです

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

Because of this complexity,

この問題は 非常に複雑なため

humans have only been able to harness the power of proteins

人間は 自然界で 見つけたタンパク質の

by making very small changes to the amino acid sequences

アミノ酸配列に 小さく手を加えることでしか

of the proteins we've found in nature.

タンパク質の力を 活用できませんでした

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

これは石器時代の我々の祖先が

自然界で見つけた棒や石から 道具その他の物を作っていたのに似ています

to make tools and other implements from the sticks and stones

that we found in the world around us.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

しかし 人間が空を飛べるようになったのは 鳥を改造したからではありません

(Laughter)

(笑)

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

科学者たちが鳥からヒントを得て 航空力学の法則を解明し

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

エジニアがそれらの法則を使って 独自の飛べる機械を設計したのです

In a similar way,

これと同様にして

we've been working for a number of years

私たちはタンパク質の折りたたみの 基本法則を解明し

to uncover the fundamental principles of protein folding

その法則をRosettaというコンピューター プログラムに組み込もうと

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

何年にもわたって 取り組んできました

We made a breakthrough in recent years.

そして 近年 大きな発展がありました

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

今ではコンピューター上で新しいタンパク質を 一から設計することができます

Once we've designed the new protein,

新しいタンパク質を 設計したら

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

そのアミノ酸配列を合成遺伝子の中に 符号化します

We have to make a synthetic gene

合成遺伝子を 作らないといけないのは

because since the protein is completely new,

まったく新しい タンパク質なため

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

それを符号化している遺伝子というのが 地球上の生物中に存在しないからです

Our advances in understanding protein folding

タンパク質折りたたみ問題に対する 理解が進んで

and how to design proteins,

タンパク質の設計が できるようになり

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

それと同時に 遺伝子合成の コストが下がり

and the Moore's law increase in computing power,

ムーアの法則に従って コンピューターの性能が向上したため

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

新しい形や機能を持つ 何万もの新しいタンパク質を

with new shapes and new functions,

コンピューター上で設計し

on the computer,

and encode each one of those in a synthetic gene.

合成遺伝子の中に 符号化できるようになりました

Once we have those synthetic genes,

合成遺伝子ができたら

we put them into bacteria

それを細菌に注入します

to program them to make these brand-new proteins.

その新しいタンパク質を作るよう 細菌をプログラムするのです

We then extract the proteins

そうして できたタンパク質を 抽出したら

and determine whether they function as we designed them to

設計した通りの 機能を果すか

and whether they're safe.

安全かどうかを 見極めます

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

新しいタンパク質が作れる というのはワクワクします

because despite the diversity in nature,

自然界は多様性に満ちていますが 進化の過程で生み出されたタンパク質は

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

生成可能なタンパク質の中の ごく一部でしかないからです

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

先ほど自然界は20種のアミノ酸を アルファベットとして使うと言いましたが

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

典型的なタンパク質では100個ほどの アミノ酸が鎖上につながっているので

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

あり得るタンパク質の数は 20を100回掛け合わせたもので

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

これは10の130乗ほどになります

which is enormously more than the total number of proteins

生命が誕生して以来 地球上に存在したタンパク質の数より

which have existed since life on earth began.

遥に大きい数です

And it's this unimaginably large space

そしてこの想像を絶するほど 大きな領域を

we can now explore using computational protein design.

今やコンピューターを使ったタンパク質設計技術で 探究することができます

Now the proteins that exist on earth

地球上に存在する タンパク質は

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

進化の過程で直面した問題を 解決するために生まれました

For example, replicating the genome.

ゲノムの複製はその一例です

But we face new challenges today.

私たちは今日 新たな問題に直面しています

We live longer, so new diseases are important.

寿命が延びたため 新しい病気への 対応が必要になりました

We're heating up and polluting the planet,

環境を汚染し温暖化させており

so we face a whole host of ecological challenges.

生態系の問題を 山ほど抱えています

If we had a million years to wait,

百万年 待てるのであれば

new proteins might evolve to solve those challenges.

問題を解決してくれる新しいタンパク質が 進化してくるかもしれません

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

しかし 私たちは 何百万年も待てません

Instead, with computational protein design,

その代わりコンピューターを使った タンパク質設計によって

we can design new proteins to address these challenges today.

今日の問題に取り組むための 新しいタンパク質を設計できます

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

私達の野心的な考えは タンパク質設計という技術革命によって

through technological revolution in protein design.

生物学を石器時代から 脱却させるということです

We've already shown that we can design new proteins

新しい形や機能を持ったタンパク質を 設計できるということを

私達は既に証明しています

with new shapes and functions.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

例えばワクチンは免疫系を 刺激することにより

to make a strong response against a pathogen.

病原菌に対する強い反応を 引き起こすものです

To make better vaccines,

より良いワクチンを作るため

we've designed protein particles

病原菌のタンパク質と結合する タンパク質粒子を設計しました

to which we can fuse proteins from pathogens,

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

こちらでは青で示したRSウイルスの タンパク質と結合しています

To make vaccine candidates

このようにウイルスのタンパク質が トゲトゲになっている

that are literally bristling with the viral protein,

ワクチン候補を作ることで

we find that such vaccine candidates

今まで試された どんなワクチンよりも

produce a much stronger immune response to the virus

ずっと強い免疫反応が 引き起こされるのが分かりました

than any previous vaccines that have been tested.

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

RSウイルスは世界の乳幼児の主な死因の 一つなので これは重要な発見です

of infant mortality worldwide.

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

他にもセリアック病のための 胃中のグルテン を分解する新しいタンパク質や

for celiac disease

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

癌と戦うための免疫系を刺激する タンパク質などを設計しています

These advances are the beginning of the protein design revolution.

こういった技術の進展は タンパク質設計革命の始まりにすぎません

We've been inspired by a previous technological revolution:

私たちは以前に起きた 技術革命である

デジタル革命に 刺激を受けました

the digital revolution,

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

そこでは技術の進歩の大きな部分が ある１つの場所で起きました

Bell Laboratories.

ベル研究所です

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

ベル研究所は オープンで共同的な環境で

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

世界中の才能あふれる最高の人材を 引き付けることができました

And this led to a remarkable string of innovations --

そしてそれが一連のすばらしい 発明につながったのです

the transistor, the laser, satellite communication

トランジスター レーザー 衛星通信

and the foundations of the internet.

そしてインターネットの 基盤などです

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

私たちが目指しているのは 「ベル研究所のタンパク質設計版」です

We are seeking to attract talented scientists from around the world

世界中から才能ある 科学者を集め

to accelerate the protein design revolution,

タンパク質設計革命を 加速させたいのです

and we'll be focusing on five grand challenges.

私たちは５つの大いなる課題に 取り組んでいます

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

１つめは 世界各地のインフルエンザ株から タンパク質を抽出し

and putting them on top of the designed protein particles

先ほどの 私たちが設計した タンパク質粒子と結合させることで

I showed you earlier,

we aim to make a universal flu vaccine,

１回の接種で 生涯 インフルエンザから守ってくれる

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

万能インフルエンザワクチンを 開発しようとしています

The ability to design --

コンピューター上で―

(Applause)

（拍手）

The ability to design new vaccines on the computer

コンピューター上で新しいタンパク質を 設計する技術が重要なのは

is important both to protect against natural flu epidemics

自然に起こるインフルエンザ流行から 守るためだけでなく

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

意図的な生物兵器テロの脅威から 守るためでもあります

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

２つめは たった20種のアミノ酸という

自然界が使うアルファベットの制限を はるかに超えて

of just 20 amino acids

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

何千種ものアミノ酸の アルファベットを使って

慢性痛などに効く 治療薬を作ることです

using an alphabet of thousands of amino acids.

Third, we're building advanced delivery vehicles

３つめは 既存の治療薬を それを必要とする体の部位へと運ぶ

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

高度な輸送手段を開発しています

For example, chemotherapy to a tumor

例えば 化学療法薬を腫瘍へ

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

遺伝子治療薬を 遺伝子の修復を 必要とする組織へと運びます

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

４つめは 体の中で計算をしてくれる 賢い治療法を設計しています

and go far beyond current medicines,

非常に精度の悪い道具である 現在の薬よりも

which are really blunt instruments.

遥に進んだ技術です

For example, to target a small subset of immune cells

例えば自己免疫疾患を引き起こしている 免疫細胞のごく一部だけをターゲットにし

responsible for an autoimmune disorder,

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

大部分の健康な免疫細胞には 影響しないようなものです

Finally, inspired by remarkable biological materials

５つ目は シルクや アバロンシェルや 歯のような すばらしい生物材料をヒントに

such as silk, abalone shell, tooth and others,

タンパク質を元にした新しい 生物材料を設計しています

we're designing new protein-based materials

to address challenges in energy and ecological issues.

エネルギー問題や環境問題に 取り組むためです

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

これらの開発をするために 研究所を拡張しています

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

私たちは エネルギーに溢れた 才能ある 多様な科学者を求めています

from around the world, at all career stages,

キャリアの様々な段階にいる 世界中の方に

to join us.

参加してもらいたいのです

You can also participate in the protein design revolution

タンパク質設計革命には

オンライン設計ゲームの「Foldit」からも 参加できますし

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

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

分散コンピューティングプロジェクトの 「Rosetta@home」には

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

パソコンやアンドロイド携帯から 参加できます

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

タンパク質設計によって世の中を良くすることは 私の生涯をかけた仕事です

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

皆さんと一緒に 何ができるか楽しみです

I hope you'll join us,

皆さんの参加を お待ちしております

and thank you.

ありがとうございました

(Applause and cheers)

（拍手と歓声）