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

Переводчик: Elena Malykh Редактор: Anna Zvereva

Alright, let me tell you about building synthetic cells

Позвольте рассказать вам о создании синтетических клеток

and printing life.

и о процессе печатания жизни.

But first, let me tell you a quick story.

Но сначала небольшая история.

On March 31, 2013,

В 2013 году, 31 марта,

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

наш коллектив получили письмо от Всемирной организации здравоохранения,

alerting us that two men died in China

предупреждающее о том, что в Китае умерли двое мужчин.

shortly after contracting the H7N9 bird flu.

Они погибли вскоре после заражения вирусом причьего гриппа H7N9.

There were fears of a global pandemic

Все боялись начала глобальной эпидемии,

as the virus started rapidly moving across China.

так как вирус начал быстро распространяться по территории Китая.

Although methods existed to produce a flu vaccine

Хотя и существовали методы получения вакцины от гриппа,

and stop the disease from spreading,

способной остановить его распространение,

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

её выпуска можно было ожидать не ранее, чем через полгода.

This is because a slow, antiquated flu vaccine manufacturing process

Причина была в замедленном, устаревшем процессе производства вакцины,

developed over 70 years ago was the only option.

разработанным более 70 лет назад и единственным на тот момент.

The virus would need to be isolated from infected patients,

Необходимо было извлечь вирус из клеток инфицированных пациентов,

packaged up and then sent to a facility

упаковать и послать туда,

where scientists would inject the virus into chicken eggs,

где учёные могли бы ввести данный вирус в куриные яйца

and incubate those chicken eggs for several weeks

и держать их в инкубаторе несколько недель

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

перед запуском многоступенчатого

multimonth flu vaccine manufacturing process.

процесса производства вакцины против гриппа, длящегося месяцы.

My team and I received this email

Нашей команде прислали это письмо,

because we had just invented a biological printer,

потому что мы незадолго до этого изобрели биологический принтер,

which would allow for the flu vaccine instructions

позволяющий загрузить вакцину в виде набора команд

to be instantly downloaded from the internet and printed.

непосредственно из интернета и распечатать её.

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

Это невероятно ускоряет процесс производства вакцины от гриппа

and potentially saving thousands of lives.

и потенциально способно спасти тысячи жизней.

The biological printer leverages our ability to read and write DNA

Биологический принтер улучшает наши навыки в области чтения и создания ДНК

and starts to bring into focus

и выводит на первый план то,

what we like to call biological teleportation.

что мы называем биологической телепортацией.

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

Я биолог и инженер, который строит из ДНК.

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

Хотите верьте, хотите нет, моё любимое занятие —

is to take DNA apart and put it back together

разбирать ДНК на части и собирать её заново,

so that I can understand better how it works.

чтобы лучше понять, как в ней всё работает.

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

Я редактирую и программирую ДНК подобно программисту, пишущему программу.

But my apps are different.

Но у моих программ есть отличие:

They create life.

они создают жизнь.

Self-replicating living cells and things like vaccines and therapeutics

Самовоспроизводящиеся живые клетки, а также вакцины и медпрепараты —

that work in ways that were previously impossible.

сейчас это возможно как никогда раньше.

Это Крэйг Вентер, некогда награждённый Национальной научной медалью [США],

Here's National Medal of Science recipient Craig Venter

and Nobel laureate Ham Smith.

и Хэм Смит, нобелевский лауреат.

These two guys shared a similar vision.

Эти двое разделяют одно мнение, а именно:

That vision was, because all of the functions and characteristics

если все функции и характеристики

of all biological entities, including viruses and living cells,

всех биологических компонентов, включая вирусы и живые клетки,

are written into the code of DNA,

записаны в коде ДНК

if one can read and write that code of DNA,

и если можно этот код читать и воспроизводить,

then they can be reconstructed in a distant location.

то значит возможно воссоздание этих компонентов на расстоянии.

This is what we mean by biological teleportation.

Это то, что мы подразумеваем под биологической телепортацией.

To prove out this vision,

Чтобы это доказать,

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

Крэйг и Хэм впервые взялись за создание

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

синтетической клетки на основе кода ДНК, записанного в компьютере.

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

Что может быть лучше для учёного, ищущего работу

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

и занимающегося инновационными исследованиями?

(Laughter)

(Смех)

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

Итак, геном — это полный комплект ДНК, находящийся внутри организма.

Following the Human Genome Project in 2003,

Благодаря проекту по расшифровке гененического кода

which was an international effort to identify

под названием «Геном человека»,

the complete genetic blueprint of a human being,

осуществлённому международными усилиями в 2003 году,

a genomics revolution happened.

произошла революция в геномике.

Scientists started mastering the techniques for reading DNA.

Учёные начали овладевать техникой чтения ДНК,

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

чтобы определить порядок элементов цепочки A, C, T, и G

within an organism.

внутри организма.

But my job was far different.

Но я занимался совершенно иным.

I needed to master the techniques for writing DNA.

Мне надо было овладеть техникой написания ДНК.

Like an author of a book,

Подобно писателю,

this started out as writing short sentences,

я начал с написания коротких предложений,

or sequences of DNA code,

или последовательностей кода ДНК,

but this soon turned into writing paragraphs

но вскоре перешёл к написанию абзацев,

and then full-on novels of DNA code,

а затем и к полноценным романам о ДНК-коде

to make important biological instructions for proteins and living cells.

ради создания важных биологических инструкций для белков и живых клеток.

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

Живые клетки — наиболее эффективные механизмы по созданию новых продуктов,

accounting for the production

на их долю приходится 25 процентов

of 25 percent of the total pharmaceutical market,

от рынка фармацевтического производства,

which is billions of dollars.

что составляет миллионы долларов.

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

Мы понимали, что написание ДНК продвинет биоэкономику гораздо дальше,

once cells could be programmed just like computers.

как только станет возможно программировать клетки как компьютеры.

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

Также мы знали, что это сделает возможной биотелепортацию...

the printing of defined, biological material,

печать определённого биоматериала

starting from DNA code.

на основе кода ДНК.

As a step toward bringing these promises to fruition,

В качестве шага к реализации этих обещаний

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

наша команда задалась целью

a synthetic bacterial cell,

создать синтетическую бактериальную клетку

starting from DNA code in the computer.

на основе кода ДНК, полученного из компьютера.

Synthetic DNA is a commodity.

Синтетическая ДНК — предмет потребления.

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

Вы можете заказать небольшие отрезки ДНК у нескольких компаний,

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

они возьмут вот эти четыре бутылки с реагентами, составляющими ДНК —

G, A, T and C,

G, A, T, и C, —

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

и сделают очень короткие отрезки ДНК.

Over the past 15 years or so,

В течение примерно 15 лет

my teams have been developing the technology

мои коллеги развивали технологию

for stitching together those short pieces of DNA

сшивания таких коротких отрезков ДНК

into complete bacterial genomes.

в полные бактериальные геномы.

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

Самый длинный собранный нами геном содержал более одного миллиона букв.

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

Это более, чем вдвое превосходит размер среднего романа,

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

и мы должны были поставить каждую из букв в определённое место,

without a single typo.

без единой опечатки.

We were able to accomplish this by developing a procedure

Мы добились этого, разработав процедуру,

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

которую я назвал было «методом одноэтапной изотермальной рекомбинации в пробирке».

(Laughter)

(Смех)

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

Но, к моему удивлению, научному сообществу не понравилось это точное название

and decided to call it Gibson Assembly.

и мы назвали это «сборка Гибсона».

Gibson Assembly is now the gold standard tool,

Сейчас сборка Гибсона — эталонный инструмент,

used in laboratories around the world

используемым в лабораториях всего мира

for building short and long pieces of DNA.

для построения коротких и длинных отрезков ДНК.

(Applause)

(Аплодисменты)

Once we chemically synthesized the complete bacterial genome,

Как только мы химически синтезировали полный бактериальный геном,

our next challenge was to find a way

следующей нашей целью было найти способ

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

превратить его в свободноживущую самовоспроизводящуюся живую клетку.

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

Мы подошли к этому, приняв геном за операционную систему клетки,

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

а её содержимое — за «железо», необходимое для загрузки генома.

Through a lot of trial and error,

Путём проб и ошибок

we developed a procedure where we could reprogram cells

мы разработали процедуру перепрограммирования клеток

and even convert one bacterial species into another,

и даже научились преобразовывать одни виды бактерий в другие

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

путём замены генома одной клетки геномом другой.

This genome transplantation technology then paved the way

Технология по трансплантация генома открыла путь

for the booting-up of genomes written by scientists

к возможности загрузки геномов, написанных учёными,

and not by Mother Nature.

а не матерью-природой.

In 2010, all of the technologies

В 2010 году, объединив все технологии,

that we had been developing for reading and writing DNA

разработанные для чтения и написания ДНК,

all came together when we announced the creation

мы создали

of the first synthetic cell,

первую синтетическую клетку,

which of course, we called Synthia.

которую, конечно же, назвали Синтией.

(Laughter)

(Смех)

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

С тех пор, как в 1995 году был оцифрован первый бактериальный геном,

thousands more whole bacterial genomes have been sequenced and stored

тысячи других были подвергнуты той же процедуре и сохранены

in computer databases.

в компьютерных базах данных.

Our synthetic cell work was the proof of concept

Создание нами синтетической клетки доказывало то,

that we could reverse this process:

что можно повернуть этот процесс вспять:

pull a complete bacterial genome sequence out of the computer

вытащить из компьютера полную последовательность бактериального генома

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

и преобразовать её в свободноживущую самовоспроизводящуюся клетку

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

со всеми ожидаемыми характеристиками вида, который мы сконструировали.

Now I can understand why there may be concerns

Теперь мне понятны сомнения

about the safety of this level of genetic manipulation.

в безопасности генетических манипуляций такого уровня.

While the technology has the potential for great societal benefit,

Являясь потенциальным благом для общества,

it also has the potential for doing harm.

эта технология также способна причинить вред.

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

Понимая это, наш коллектив, ещё до проведения первого эксперимента,

our team started to work with the public and the government

начал сотрудничество с правительством и общественностью,

to find solutions together

чтобы совместно принимать решения

to responsibly develop and regulate this new technology.

в области ответственного развития и регулирования этой новой технологии.

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

Одним из таких решений стало введение проверки каждого клиента

and every customer's DNA synthesis orders,

и всех его заказов на изготовление синтетической ДНК,

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

дабы убедиться в том, что токсины или возбудители инфекции

не созданы руками злодеев или в результате ошибки учёных.

or accidentally by scientists.

All suspicious orders are reported to the FBI

Обо всех подозрительных заказах сообщается в ФБР

and other relevant law-enforcement agencies.

и в соответствующие правоохранительные органы.

Synthetic cell technologies will power the next industrial revolution

Развитие технологии производства синтетических клеток приведёт

and transform industries and economies

к очередной промышленной революции, и таким изменениям в экономике

in ways that address global sustainability challenges.

которые поспособствуют решению проблем устойчивого развития.

The possibilities are endless.

Возможности безграничны.

I mean, you can think of clothes

Представьте одежду,

constructed form renewable biobased sources,

сделанную из возобновляемого натурального сырья,

cars running on biofuel from engineered microbes,

машины работающие на биотопливе, полученном из сконструированных микробов,

plastics made from biodegradable polymers

пластик, произведённый из биоразлагаемых полимеров,

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

и печать индивидуально созданных лекарств прямо у постели пациента.

The massive efforts to create synthetic cells

Интенсивная работа над созданием синтетических клеток

have made us world leaders at writing DNA.

сделала нас мировыми лидерами в написании ДНК.

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

Работая над этим, мы нашли более быстрые, точные, а также более надёжные

more accurately and more reliably.

способы написания ДНК.

Because of the robustness of these technologies,

Наша технология настолько надёжна,

we found that we could readily automate the processes

что мы готовы автоматизировать процесс

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

и передать лабораторный поток работ

and onto a machine.

из рук учёных машинам.

In 2013, we built the first DNA printer.

В 2013 году мы сделали первый ДНК-принтер.

We call it the BioXp.

Он носит название BioXp.

And it has been absolutely essential in writing DNA

Просто незаменимая вещь для печати ДНК

across a number of applications

во многих областях применения,

my team and researchers around the world are working on.

в которых работает моя группа и учёные по всему миру.

It was shortly after we built the BioXp

Вскоре после создания BioXp

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

мы получили то письмо, где сообщалось о страшном птичьем гриппе H7N9 в Китае.

A team of Chinese scientists had already isolated the virus,

На тот момент группа китайских учёных уже извлекла вирус,

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

оцифровала ДНК и выложила её в интернет.

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

По просьбе правительства США мы загрузили оцифрованную ДНК

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

и менее чем за 12 часов напечатали её на BioXp.

Our collaborators at Novartis

Затем наши коллеги из Novartis

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

быстро начали перерабатывать эту синтетическую ДНК в вакцину от гриппа.

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

Тем временем Центр по контролю и профилактике заболеваний США,

was still waiting for the virus to arrive from China

при их технологии 40-х годов ХХ века, ожидал вирус из Китая,

so that they could begin their egg-based approach.

чтобы начать делать вакцину на основе использования яиц.

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

Впервые у нас была вакцина против нового потенциально опасного штамма гриппа,

for a new and potentially dangerous strain,

созданная на опережение,

and the US government ordered a stockpile.

и правительство США заказало эти вакцины для резерва.

(Applause)

(Аплодисменты)

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

Именно тогда я начал осознавать

the power of biological teleportation.

всю мощь биологической телепортации.

(Laughter)

(Смех)

Naturally, with this in mind,

Естественно, имея это в виду,

we started to build a biological teleporter.

мы стали создавать биологический телепортатор.

We call it the DBC.

Мы назвали его ЦБК —

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

это аббревиатура: конвертер из цифрового в биологический формат.

Unlike the BioXp,

В отличие от BioXP,

which starts from pre-manufactured short pieces of DNA,

который начинает с произведённых ранее маленьких частиц ДНК,

the DBC starts from digitized DNA code

ЦБК берёт за основу оцифрованный код ДНК

and converts that DNA code into biological entities,

и переводит его в биологические компоненты,

such as DNA, RNA, proteins or even viruses.

такие как ДНК, РНК, белки и даже вирусы.

You can think of the BioXp as a DVD player,

Возможно, вы думаете о BioXp как о DVD-плеере,

requiring a physical DVD to be inserted,

в который требуется вставить реальный DVD-диск,

whereas the DBC is Netflix.

но ЦБК — это скорее Нетфликс.

To build the DBC,

Чтобы сделать ЦБК,

my team of scientists worked with software and instrumentation engineers

мы совместно с программистами и аппаратными инженерами работали над тем,

to collapse multiple laboratory workflows,

как вместить сложный поток работ, выполняемых в лаборатории,

all in a single box.

в одну единственную коробку.

This included software algorithms to predict what DNA to build,

Что включало в себя программные алгоритмы прогнозирования будущей ДНК,

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

химическую среду для связи G, A, T и С и блоков ДНК в отрезки,

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

сборку Гибсона для сшивания коротких отрезков в длинные

and biology to convert the DNA into other biological entities,

и биологическую среду для обращения ДНК в другие биологические компоненты,

such as proteins.

такие как белки.

This is the prototype.

Это прототип.

Although it wasn't pretty, it was effective.

Выглядел он так себе, но работал исправно.

It made therapeutic drugs and vaccines.

На нём делали лекарственные средства и вакцины.

And laboratory workflows that once took weeks or months

Лабораторный технологический процесс, некогда длящийся неделями или месяцами,

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

теперь мог быть осуществлён всего лишь за два дня.

And that's all without any human intervention

И всё это без вмешательства человека:

and simply activated by the receipt of an email

достаточно послать на него письмо по электронной почте,

which could be sent from anywhere in the world.

что возможно из любой точки мира.

We like to compare the DBC to fax machines.

Мы любим сравнивать ЦБК с факсимильной машиной.

But whereas fax machines received images and documents,

Но в то время как последняя получает изображения и документы,

the DBC receives biological materials.

ЦБК получает биоматериалы.

Now, consider how fax machines have evolved.

Рассмотрим эволюцию факсимильных аппаратов.

The prototype of the 1840s is unrecognizable,

Прототип этого прибора, сконструированный в 1940-х годах,

compared with the fax machines of today.

был мало известен, в отличие от современной версии.

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

В 1980-х годах большинство людей всё ещё не знали, что такое факс-машина,

and if they did,

а даже если и знали,

it was difficult for them to grasp the concept

им было сложно воспринять идею

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

мгновенного воспроизведения изображения на другом конце планеты.

But nowadays, everything that a fax machine does

А теперь всё, что делает факс-машина,

is integrated on our smart phones,

входит в функции наших смартфонов,

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

и мгновенный обмен цифровой информацией воспринимается как должное.

Here's what our DBC looks like today.

Вот как выглядит ЦБК сегодня.

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

ЦБК развивается таким же путём, что и факс-машина.

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

Мы работаем над уменьшением размера устройства

and we're working to make the underlying technology

и тем, чтобы сделать технологию, лежащую в его основе,

more reliable, cheaper, faster and more accurate.

более надёжной, дешёвой, быстрой и точной.

Accuracy is extremely important when synthesizing DNA,

Точность чрезвычайно важна при синтезировании ДНК,

because a single change to a DNA letter

потому что единственное изменение буквы ДНК

could mean the difference between a medicine working or not

повлияет на то, будет ли лекарство работать

or synthetic cell being alive or dead.

или будет ли способна ожить синтетическая клетка.

The DBC will be useful for the distributed manufacturing

ЦБК найдёт применение в распределённом производстве лекарств,

of medicine starting from DNA.

созданных на основе ДНК.

Every hospital in the world could use a DBC

Любая больница мира могла бы использовать ЦБК для печати

for printing personalized medicines for a patient at their bedside.

индивидуально созданных лекарств прямо у постели пациента.

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

Я даже представляю, что будет нормально иметь ЦБК,

to connect to their home computer or smart phone

подключающийся к домашнему компьютеру или смартфону,

as a means to download their prescriptions,

чтобы загрузить прописанные лекарства,

such as insulin or antibody therapies.

вроде инсулина или иммуноглобулина.

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

ЦБК будет неоценим при его размещении в стратегических зонах планеты

for rapid response to disease outbreaks.

для быстрого реагирования на вспышки заболеваний.

For example, the CDC in Atlanta, Georgia

Например, ЦБК в Атланте, штат Джорджия,

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

передал бы инструкции ЦБК, находящемуся на другом конце Земли,

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

где произвели бы вакцину прямо на передовой борьбы с гриппом.

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

Вакцину можно будет подобрать непосредственно к штамму,

that's circulating in that local area.

распространённому в этом регионе.

Sending vaccines around in a digital file,

Рассылка вакцин в цифровом виде,

rather than stockpiling those same vaccines and shipping them out,

в противовес их накоплению с последующей перевозкой,

promises to save thousands of lives.

сулит перспективы спасения тысяч жизней.

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

Применение ограничено только вашей фантазией.

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

Легко представить ЦБК на другой планете.

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

Учёные с Земли могли бы посылать туда цифровые инструкции,

to make new medicines or to make synthetic organisms

чтобы создавать новые лекарства или новые синтетические организмы,

that produce oxygen, food, fuel or building materials,

которые произведут кислород, пищу, горючее или стройматериалы,

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

дабы сделать планету более пригодной для жизни людей.

(Applause)

(Аплодисменты)

With digital information traveling at the speed of light,

При передаче информации со скоростью света

it would only take minutes to send those digital instructions

отсылка этих цифровых инструкций с Земли на Марс

from Earth to Mars,

займёт лишь 10 минут.

but it would take months to physically deliver those same samples

А на физическую доставку этих же образцов космическим кораблём

on a spacecraft.

ушли бы месяцы.

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

А пока я был бы рад внедрению трансляции лекарств по миру — по запросу

fully automated and on demand,

и полностью автоматизированной, —

saving lives from emerging infectious diseases

спасающей жизни от возникающих инфекционных заболеваний,

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

и печати индивидуальных лекарств от рака для тех, кто не может ждать.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)