How designing brand-new enzymes could change the world | Adam Garske

Translator: Ivana Korom Reviewer: Krystian Aparta

Переводчик: Elena Govorkova Редактор: Yulia Kallistratova

Growing up in central Wisconsin, I spent a lot of time outside.

Я рос в центральном Висконсине

и много времени проводил на свежем воздухе.

In the spring, I'd smell the heady fragrance of lilacs.

Весной я ощущал пьянящий аромат сирени.

In the summer, I loved the electric glow of fireflies

Летом я любил наблюдать за ярким сиянием светлячков,

as they would zip around on muggy nights.

копошащихся в траве тёплыми ночами.

In the fall, the bogs were brimming with the bright red of cranberries.

Осенью болота переполнялись ярко-красной клюквой.

Even winter had its charms,

Даже в зиме было своё очарование

with the Christmassy bouquet emanating from pine trees.

с рождественским букетом из сосновых веток.

For me, nature has always been a source of wonder and inspiration.

Для меня природа всегда была источником чудес и вдохновения.

As I went on to graduate school in chemistry, and in later years,

Изучая химию в университете и в более поздние годы,

I came to better understand the natural world in molecular detail.

я стал лучше понимать мир природы на молекулярном уровне.

All the things that I just mentioned,

Всё, что я сейчас упомянул, —

from the scents of lilacs and pines

от аромата сирени и сосен

to the bright red of cranberries and the glow of fireflies,

до ярко-красного цвета клюквы и сияния светлячков, —

have at least one thing in common:

имеет по крайней мере одну общую черту:

they're manufactured by enzymes.

всё это вырабатываются ферментами.

As I said, I grew up in Wisconsin, so of course, I like cheese

Поскольку я вырос в Висконсине, конечно, я люблю сыр

and the Green Bay Packers.

и Грин-Бей Пэкерс.

But let's talk about cheese for a minute.

Давайте немного поговорим о сыре.

For at least the last 7,000 years,

По меньшей мере последние 7 000 лет

humans have extracted a mixture of enzymes

люди извлекали смесь ферментов

from the stomachs of cows and sheep and goats

из желудков коров, овец и коз

and added it to milk.

и добавляли её в молоко.

This causes the milk to curdle -- it's part of the cheese-making process.

Молоко таким образом сворачивается — это один из этапов изготовления сыра.

The key enzyme in this mixture is called chymosin.

Ключевой фермент этой смеси — химозин.

I want to show you how that works.

Я хочу показать вам, как он работает.

Right here, I've got two tubes,

У меня две пробирки,

and I'm going to add chymosin to one of these.

в одну из которых я добавлю химозин.

Just a second here.

Одну секунду.

Now my son Anthony, who is eight years old,

Моему сыну Энтони восемь лет,

was very interested in helping me figure out a demo for the TED Talk,

и он очень хотел помочь мне с демонстрацией для этого выступления.

and so we were in the kitchen, we were slicing up pineapples,

Мы сидели на кухне, нарезали ананасы,

extracting enzymes from red potatoes

извлекали ферменты из красного картофеля

and doing all kinds of demos in the kitchen.

и делали всевозможные опыты на кухне.

And in the end, though,

В итоге мы решили,

we thought the chymosin demo was pretty cool.

что опыт с химозином — самый классный.

And so what's happening here

Что здесь происходит?

is the chymosin is swimming around in the milk,

Химозин плавает в молоке,

and it's binding to a protein there called casein.

и он связывается с белком, который называется казеином.

What it does then is it clips the casein --

Он «режет» казеин,

it's like a molecular scissors.

словно молекулярные ножницы.

It's that clipping action that causes the milk to curdle.

Именно благодаря этому процессу молоко сворачивается.

So here we are in the kitchen, working on this.

Вот мы на кухне проводим этот опыт.

OK.

Отлично.

So let me give this a quick zip.

Теперь я потрясу пробирки.

And then we'll set these to the side and let these simmer for a minute.

Затем мы отставим их в сторону и немного подождём.

OK.

Хорошо.

If DNA is the blueprint of life,

Если ДНК — это проект жизни,

enzymes are the laborers that carry out its instructions.

то ферменты — рабочие, выполняющие его инструкции.

An enzyme is a protein that's a catalyst,

Фермент — это белок,

катализатор, ускоряющий химическую реакцию,

it speeds up or accelerates a chemical reaction,

just as the chymosin over here is accelerating the curdling of the milk.

как, например, химозин ускоряет свёртывание молока.

But it's not just about cheese.

Но речь не только о сыре.

While enzymes do play an important role in the foods that we eat,

В то время как ферменты играют важную роль в наших продуктах питания,

they also are involved in everything from the health of an infant

они также участвуют во всём, начиная от здоровья младенцев

заканчивая борьбой с крупнейшими на сегодняшний день

to attacking the biggest environmental challenges

we have today.

экологическими проблемами.

The basic building blocks of enzymes are called amino acids.

Основные строительные блоки ферментов называются аминокислотами.

There are 20 common amino acids,

Существует 20 основных аминокислот,

and we typically designate them with single-letter abbreviations,

мы обычно обозначаем их однобуквенными аббревиатурами,

so it's really an alphabet of amino acids.

поэтому получается такой алфавит из аминокислот.

In an enzyme, these amino acids are strung together,

В ферменте эти аминокислоты соединены вместе,

like pearls on a necklace.

как жемчуг на ожерелье.

And it's really the identity of the amino acids,

Такой набор аминокислот —

which letters are in that necklace,

буквы в этом ожерелье

and in what order they are, what they spell out,

и порядок, в котором они находятся, —

that gives an enzyme its unique properties and differentiates it from other enzymes.

придаёт ферменту уникальные свойства

и отличает от других ферментов.

Now, this string of amino acids,

Эта цепочка аминокислот,

this necklace,

это ожерелье,

folds up into a higher-order structure.

складывается в структуру более высокого порядка.

And if you were to zoom in at the molecular level

Если мы спустимся на молекулярный уровень

and take a look at chymosin, which is the enzyme working over here,

и посмотрим на химозин, фермент из нашего опыта,

you would see it looks like this.

вы увидите, что он выглядит так.

Все эти пряди и петли, спирали, изгибы, и повороты:

It's all these strands and loops and helices and twists and turns,

именно такой должна быть его форма, чтобы он выполнял свои функции.

and it has to be in just this conformation to work properly.

Nowadays, we can make enzymes in microbes,

Сейчас мы можем делать ферменты в микробах.

and that can be like a bacteria or a yeast, for example.

Это может быть, например, бактерия или дрожжи.

And the way we do this is we get a piece of DNA

Мы берём кусочек ДНК,

that codes for an enzyme that we're interested in,

который кодирует интересующий нас фермент,

we insert that into the microbe,

и помещаем его в микроб.

and we let the microbe use its own machinery, its own wherewithal,

Микроб использует собственную систему,

собственные возможности,

to produce that enzyme for us.

чтобы произвести этот фермент для нас.

So if you wanted chymosin, you wouldn't need a calf, nowadays --

Если вам нужен химозин, можно обойтись без телёнка:

этот фермент можно получить из микроба.

you could get this from a microbe.

And what's even cooler, I think,

Но ещё круче то,

is we can now dial in completely custom DNA sequences

что теперь можно набирать свою последовательность ДНК,

to make whatever enzymes we want,

чтобы создавать любой фермент,

stuff that's not out there in nature.

которого даже нет в природе.

And, to me, what's really the fun part

Для меня самое интересное —

is trying to design an enzyme for a new application,

попытаться создать фермент для новой области применения,

arranging the atoms just so.

расположив атомы в определённом порядке.

The act of taking an enzyme from nature and playing with those amino acids,

Когда мы берём фермент из природы, играем с аминокислотами,

tinkering with those letters,

подбираем эти буквы,

putting some letters in, taking some letters out,

вводим и выводим некоторые из них,

maybe rearranging them a little bit,

возможно, меняем их местами —

is a little bit like finding a book

это чем-то похоже на поиск книги

and editing a few chapters or changing the ending.

и редактирование нескольких глав или изменение концовки.

In 2018, the Nobel prize in chemistry

В 2018 году Нобелевская премия по химии

was given for the development of this approach,

была присуждена за развитие этого подхода —

which is known as directed evolution.

направленной эволюции ферментов.

Nowadays, we can harness the powers of directed evolution

Сегодня мы можем использовать потенциал направленной эволюции,

to design enzymes for custom purposes,

чтобы создавать ферменты для конкретных целей

and one of these is designing enzymes for doing applications in new areas,

и новых областей,

например, для стирки белья.

like laundry.

So just as enzymes in your body

Ферменты в вашем организме

can help you to break down the food that you eat,

помогают расщеплять пищу,

enzymes in your laundry detergent

и точно так же ферменты в стиральном порошке

can help you to break down the stains on your clothes.

помогут расщепить пятна на вашей одежде.

It turns out that about 90 percent of the energy

Примерно 90% энергии,

that goes into doing the wash

которая идёт на стирку,

is from water heating.

тратится на подогрев воды.

And that's for good reason --

Причина вполне понятна —

the warmer water helps to get your clothes clean.

в более тёплой воде одежда лучше отстирывается.

But what if you were able to do the wash in cold water instead?

А если бы можно было стирать в холодной воде так же эффективно?

You certainly would save some money,

Вы, безусловно, сэкономите деньги,

and in addition to that,

и вдобавок к этому,

according to some calculations done by Procter and Gamble,

согласно некоторым подсчётам, сделанным Procter and Gamble,

if all households in the US were to do the laundry in cold water,

если бы все домашние хозяйства в США стирали только в холодной воде,

we would save the emissions of 32 metric tons of CO2 each year.

мы бы сократили выбросы CO2 на 32 тонны ежегодно.

That's a lot,

Это много,

that's about the equivalent

примерно столько углекислого газа

of the carbon dioxide emitted by 6.3 million cars.

выбрасывают 6,3 миллиона автомобилей.

So, how would we go about designing an enzyme

Как же создать фермент,

способный всё это сделать?

to realize these changes?

Enzymes didn't evolve to clean dirty laundry,

Ферменты эволюционировали не для того, чтобы чистить грязное бельё,

much less in cold water.

тем более в холодной воде.

But we can go to nature, and we can find a starting point.

Но мы можем обратиться к природе и найти отправную точку.

We can find an enzyme that has some starting activity,

Найдём фермент с начальной активностью,

some clay that we can work with.

с которым можно работать.

So this is an example of such an enzyme, right here on the screen.

Пример такого фермента вы видите на экране.

And we can start playing with those amino acids, as I said,

Мы можем поиграть с этими аминокислотами, как я уже говорил,

putting some letters in, taking some letters out,

вставить и убрать некоторые буквы,

rearranging those.

поменять их местами.

And in doing so, we can generate thousands of enzymes.

При этом мы можем создавать тысячи ферментов,

And we can take those enzymes,

брать их

and we can test them in little plates like this.

и тестировать на таких небольших пластинах.

So this plate that I'm holding in my hands

На этой пластине, которую я держу в руках,

contains 96 wells,

96 лунок.

and in each well is a piece of fabric with a stain on it.

В каждой лунке имеется кусочек ткани с пятном на нём.

And we can measure how well each of these enzymes

Мы можем измерить, как каждый из этих ферментов

are able to remove the stains from the pieces of fabric,

справляется с удалением пятен,

и посмотреть, как он работает.

and in that way see how well it's working.

And we can do this using robotics,

Мы можем сделать это с помощью робототехники,

like you'll see in just a second on the screen.

как вы увидите через секунду на экране.

OK, so we do this, and it turns out

Оказывается,

некоторые ферменты по свойствам приблизительно такие же,

that some of the enzymes are sort of in the ballpark

of the starting enzyme.

как начальный фермент.

That's nothing to write home about.

Ничего особенного.

Some are worse, so we get rid of those.

Некоторые похуже, от них избавляемся.

And then some are better.

А некоторые лучше.

Those improved ones become our version 1.0s.

Назовём их нашей версией 1.0.

Those are the enzymes that we want to carry forward,

Эти ферменты мы сохраним

and we can repeat this cycle again and again.

и повторим этот цикл несколько раз.

And it's the repetition of this cycle that lets us come up with a new enzyme,

Благодаря такому повторению мы сможем найти новый,

something that can do what we want.

нужный нам фермент.

And after several cycles of this,

После нескольких циклов

we did come up with something new.

мы найдём что-то новое.

So you can go to the supermarket today, and you can buy a laundry detergent

Сегодня можно пойти в супермаркет и купить стиральный порошок,

that lets you do the wash in cold water because of enzymes like this here.

который хорошо стирает в холодной воде

благодаря подобным ферментам.

And I want to show you how this one works too.

Я покажу вам, как это работает.

So I've got two more tubes here,

У меня здесь ещё две пробирки

and these are both milk again.

с молоком.

And let me show you,

I've got one that I'm going to add this enzyme to

В одну я добавлю этот фермент,

and one that I'm going to add some water to.

а в другую — немного воды.

And that's the control,

Это контрольная пробирка,

so nothing should happen in that tube.

поэтому в ней ничего не произойдёт.

You might find it curious that I'm doing this with milk.

Вам интересно, почему именно молоко.

But the reason that I'm doing this

Причина в том,

is because milk is just loaded with proteins,

что молоко насыщено белками,

and it's very easy to see this enzyme working in a protein solution,

и мы легко увидим, как этот фермент работает в белковом растворе,

because it's a master protein chopper,

потому что это мастер-измельчитель белков,

that's its job.

это его работа.

So let me get this in here.

Я ввожу его в пробирку.

And you know, as I said, it's a master protein chopper

Как я уже сказал, это измельчитель белков,

and what you can do is you can extrapolate what it's doing in this milk

и в молоке будет происходить то же самое,

to what it would be doing in your laundry.

что и при стирке вашего белья.

So this is kind of a way to visualize what would be happening.

Это как бы визуализация того, что будет происходить.

OK, so those both went in.

Обе пробирки готовы.

And I'm going to give this a quick zip as well.

Потрясу их немного.

OK, so we'll let these sit over here with the chymosin sample,

Они будут стоять здесь, вместе с химозином,

so I'm going to come back to those toward the end.

и я вернусь к ним в конце выступления.

Well, what's on the horizon for enzyme design?

Что же ждёт ферменты в будущем?

Создание новых ферментов будет происходить быстрее.

Certainly, it will get it faster --

there are now approaches for evolving enzymes

Уже существуют такие подходы,

that allow researchers to go through far more samples

позволяющие обрабатывать гораздо больше образцов,

чем я вам показал.

than I just showed you.

And in addition to tinkering with natural enzymes,

Помимо экспериментирования с природными ферментами,

like we've been talking about,

о которых мы с вами говорили,

some scientists are now trying to design enzymes from scratch,

некоторые учёные пытаются создавать ферменты с нуля,

using machine learning, an approach from artificial intelligence,

используя машинное обучение, искусственный интеллект,

to inform their enzyme designs.

чтобы определить структуры ферментов.

Still others are adding unnatural amino acids to the mix.

Другие добавляют необычные аминокислоты.

We talked about the 20 natural amino acids,

Мы ранее говорили о 20 встречающихся в природе,

the common amino acids, before --

распространённых аминокислотах.

they're adding unnatural amino acids

Они добавляют другие аминокислоты

to make enzymes with properties unlike those that could be found in nature.

для создания ферментов, обладающих свойствами,

отличными от найденных в природе.

That's a pretty neat area.

Довольно интересная область.

How will designed enzymes affect you in years to come?

Как новые ферменты повлияют на вас в ближайшие годы?

Well, I want to focus on two areas:

Я расскажу о двух областях:

human health and the environment.

здоровье человека и окружающая среда.

Some pharmaceutical companies

В некоторых фармацевтических компаниях

now have teams that are dedicated to designing enzymes

целые группы занимаются созданием ферментов,

to make drugs more efficiently and with fewer toxic catalysts.

позволяющих сделать лекарства более эффективными

и с меньшим количеством токсичных катализаторов.

For example, Januvia,

Например, Янувия,

which is a medication to treat type 2 diabetes,

лекарство для лечения сахарного диабета 2-го типа,

is made partially with enzymes.

изготовлено частично из ферментов.

The number of drugs made with enzymes is sure to grow in the future.

Количество таких лекарств, несомненно, будет расти в будущем.

In another area,

Вот другая область.

there are certain disorders

В организме человека возникают определённые нарушения,

in which a single enzyme in a person's body doesn't work properly.

когда какой-либо фермент не работает должным образом.

An example of this is called phenylketonuria,

Типичный пример — фенилкетонурия,

or PKU for short.

сокращённо ФКУ.

People with PKU are unable to properly metabolize or digest phenylalanine,

Люди с ФКУ неспособны правильно метаболизировать

или переваривать фенилаланин —

which is one of the 20 common amino acids that we've been talking about.

одну из 20 основных аминокислот, о которых мы говорили.

The consequence of ingesting phenylalanine for people with PKU

Употребление фенилаланина больными ФКУ

is that they are subject to permanent intellectual disabilities,

приводит к нарушениям умственного развития.

so it's a scary thing to have.

Страшная вещь.

Now, those of you with kids --

Те из вас, у кого есть дети —

do you guys have kids, here, which ones have kids?

у кого из вас есть дети?

A lot of you.

У многих.

So may be familiar with PKUs,

Возможно, вы знакомы с ФКУ,

because all infants in the US are required to be tested for PKU.

потому что у всех младенцев в США должны брать кровь на анализ.

I remember when Anthony, my son, had his heel pricked to test for it.

Я помню, как у моего сына Энтони взяли кровь из пятки.

The big challenge with this is: What do you eat?

Проблема в том, что вы едите.

Phenylalanine is in so many foods, it's incredibly hard to avoid.

Фенилаланин присутствует во многих продуктах,

его очень трудно избежать.

Now, Anthony has a nut allergy, and I thought that was tough,

У Энтони аллергия на орехи, и я думал, что это тяжело,

but PKU's on another level of toughness.

но жить с ФКУ намного тяжелее.

However, new enzymes may soon enable PKU patients

Однако, новые ферменты могут вскоре позволить пациентам с ФКУ

to eat whatever they want.

есть всё, что они пожелают.

Recently, the FDA approved an enzyme designed to treat PKU.

Недавно FDA одобрило фермент, предназначенный для лечения ФКУ.

This is big news for patients,

Это важная новость для пациентов

and it's actually very big news

и очень важная новость

for the field of enzyme-replacement therapy more generally,

для ферментозамещающей терапии в целом,

because there are other targets out there where this would be a good approach.

потому что есть и другие области, где это можно применить.

So that was a little bit about health.

Это что касается здоровья.

Now I'm going to move to the environment.

Перейдём к окружающей среде.

When I read about the Great Pacific Garbage Patch --

Когда я читал о большом тихоокеанском мусорном пятне, —

by the way, that's, like, this huge island of plastic,

оно, кстати, выглядит как огромный остров из пластика,

somewhere between California and Hawaii --

где-то между Калифорнией и Гавайями, —

and about microplastics pretty much everywhere,

и о микропластике практически повсюду,

it's upsetting.

меня это сильно расстроило.

Plastics aren't going away anytime soon.

Пластик не исчезнет в ближайшее время.

But enzymes may help us in this area as well.

Но ферменты и здесь могут нам помочь.

Recently, bacteria producing plastic-degrading enzymes were discovered.

Недавно были обнаружены бактерии, вырабатывающие ферменты,

разрушающие пластмассу.

Efforts are already underway to design improved versions

Уже предпринимаются попытки усовершенствования

of these enzymes.

этих ферментов.

At the same time, there are enzymes that have been discovered

В то же время обнаружены ферменты,

and that are being optimized

которые оптимизированы

to make non-petroleum-derived biodegradable plastics.

для производства биоразлагаемого пластика,

не содержащего нефть.

Enzymes may also offer some help in capturing greenhouse gases,

Ферменты также могут помочь в улавливании парниковых газов,

such as carbon dioxide, methane and nitrous oxide.

таких как углекислый газ, метан и окись азота.

Now, there is no doubt, these are major challenges,

Нет сомнений в том, что это серьёзные проблемы,

and none of them are easy.

все они сложные.

But our ability to harness enzymes may help us to tackle these in the future,

Но наше умение использовать ферменты

поможет нам справиться с этими проблемами в будущем,

поэтому это ещё одна область, на которую стоит обратить внимание.

so I think that's another area to be looking forward.

So now I'm going to get back to the demo --

Я вернусь к демонстрации —

this is the fun part.

сейчас будет самое интересное.

So we'll start with the chymosin samples.

Начнём с химозина.

So let me get these over here.

Эти я уберу сюда.

And you can see here,

Здесь видно,

this is the one that got the water,

что в этой пробирке была вода,

so nothing should happen to this milk.

и с этим молоком ничего не произошло.

This is the one that got the chymosin.

А в этой — химозин.

Вы видите, здесь всё прозрачно.

So you can see that it totally clarified up here.

There's all this curdled stuff, that's cheese,

А внизу всё свернувшееся молоко, сыр,

we just made cheese in the last few minutes.

мы только что сделали сыр за несколько минут.

So this is that reaction

Это та самая реакция,

that people have been doing for thousands and thousands of years.

которую люди проводят тысячелетиями.

I'm thinking about doing this one at our next Kids to Work Day demo

Я хочу показать этот опыт во время «Дня детей на работе»,

but they can be a tough crowd, so we'll see.

но они — требовательная публика, так что посмотрим.

(Laughter)

(смех)

And then the other one I want to look at is this one.

Вот ещё одна пробирка, которую я хочу показать.

So this is the enzyme for doing your laundry.

Это фермент для стирки.

And you can see that it's different than the one that has the water added.

Как видите, эта пробирка отличается от той, в которую добавили воду.

It's kind of clarifying,

Здесь жидкость более прозрачная,

and that's just what you want for an enzyme in your laundry,

именно это ожидается от фермента в процессе стирки,

because you want to be able to have an enzyme

потому что вам нужен такой фермент,

that can be a protein chowhound, just chew them up,

который будет «охотиться» за белками, просто «пережёвывать» их.

because you're going to get different protein stains on your clothes,

На вашей одежде разные белковые пятна,

like chocolate milk or grass stains, for example,

например, от шоколадного молока или травы,

and something like this is going to help you get them off.

и такой фермент поможет вывести эти пятна.

And this is also going to be the thing that allows you

Благодаря ему

вы сможете стирать в холодной воде, уменьшить выбросы углерода

to do the wash in cold water, reduce your carbon footprint

и немного сэкономить.

and save you some money.

Well, we've come a long way,

Мы рассмотрели

considering this 7,000-year journey from enzymes in cheese making

этот долгий 7 000-летний путь от ферментов в сыре

to the present day and enzyme design.

до новейших ферментов, которые создаются сейчас.

We're really at a creative crossroads,

Сейчас мы на творческом перепутье

and with enzymes, can edit what nature wrote

и благодаря ферментам можем менять то, что написано природой,

or write our own stories with amino acids.

или придумывать что-то своё.

So next time you're outdoors on a muggy night

Поэтому в следующий раз, когда вы будете на улице тёплой ночью

and you see a firefly,

и увидите светлячка,

I hope you think of enzymes.

надеюсь, вы подумаете о ферментах.

They're doing amazing things for us today.

Уже сегодня они делают для нас изумительные вещи.

And by design,

И по своему замыслу,

they could be doing even more amazing things tomorrow.

завтра они смогут сделать нечто более удивительное.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)