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

Переводчик: Margarita Kiseleva Редактор: Yulia Kallistratova

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

Я расскажу вам о самых удивительных механизмах и о том,

and what we can now do with them.

чего мы можем добиться с их помощью.

Proteins,

Белки́,

some of which you see inside a cell here,

пример которых вы видите на экране,

carry out essentially all the important functions in our bodies.

по сути выполняют все важнейшие функции в нашем теле.

Proteins digest your food,

Белки переваривают пищу,

contract your muscles,

сокращают мышцы,

fire your neurons

запускают работу нейронов

and power your immune system.

и иммунной системы.

Everything that happens in biology --

Все биологические процессы —

almost --

почти все —

happens because of proteins.

возможны благодаря белкàм.

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

Белки представляют собой цепь, состоящую из аминокислот.

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

В природе существует 20 аминокислот.

some of which have names you may have heard of.

Названия некоторых вы уже наверняка слышали.

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

На этом слайде, к примеру, каждый шарик — это атом.

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

Из-за химических сил, возникающих между аминокислотами,

to fold up into unique, three-dimensional structures.

цепи молекул образуют трёхмерные структуры.

The folding process,

Несмотря на то,

while it looks random,

что процесс кажется хаотичным,

is in fact very precise.

на самом деле он чётко организован.

Each protein folds to its characteristic shape each time,

Каждый белок всегда образует определённую форму,

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

и этот процесс занимает всего лишь долю секунды.

And it's the shapes of proteins

Именно форма белковых молекул

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

позволяет им выполнять удивительные биологические функции.

For example,

Гемоглобин в лёгких,

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

к примеру, имеет форму, идеально подходящую

for binding a molecule of oxygen.

для захватывания молекулы кислорода.

When hemoglobin moves to your muscle,

Когда гемоглобин перемещается в мышцы,

the shape changes slightly

его форма слегка изменяется

and the oxygen comes out.

и кислород высвобождается.

The shapes of proteins,

Форма белков

and hence their remarkable functions,

и, следовательно, их функции

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

полностью обусловлены очерёдностью расположения аминокислот в цепочке.

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

На экране буквами обозначены аминокислоты.

Where do these sequences come from?

Чем обусловлена эта очерёдность?

The genes in your genome specify the amino acid sequences

Гены определяют расположение аминокислот

of your proteins.

в составе любого белка.

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

Каждый ген кодирует последовательность аминокислот одного белка.

The translation between these amino acid sequences

Связь между последовательностями этих аминокислот

and the structures and functions of proteins

и структурой и функциями белков

is known as the protein folding problem.

известна как «проблема фолдинга белка».

It's a very hard problem

Эта проблема достаточно сложна,

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

так как белок может образовывать большое количество форм.

Because of this complexity,

Из-за этой сложности

humans have only been able to harness the power of proteins

нам удалось использовать возможности белков

by making very small changes to the amino acid sequences

посредством небольших изменений очерёдности расположения аминокислот,

of the proteins we've found in nature.

существующих в природе.

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

Этот процесс напоминает то, как наши предки в каменном веке

to make tools and other implements from the sticks and stones

делали инструменты из палок и камней,

that we found in the world around us.

которые они находили.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

Но люди не научились летать, видоизменяя птиц.

(Laughter)

(Смех)

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

Вместо этого учёные на примере птиц изучили принципы аэродинамики.

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

Затем инженеры, используя эти принципы, проектировали летательные аппараты.

In a similar way,

Аналогичным образом

we've been working for a number of years

в течение нескольких лет мы работали

to uncover the fundamental principles of protein folding

над изучением основных принципов сворачивания белков

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

и над внесением полученных данных в компьютерную программу «Rosetta».

We made a breakthrough in recent years.

Недавно исследование значительно продвинулось.

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

Теперь мы можем создавать новые белки на компьютере.

Once we've designed the new protein,

Как только мы создаём новый белок,

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

мы кодируем очерёдность аминокислот в синтетическом гене.

We have to make a synthetic gene

Нужно создавать синтетические гены,

because since the protein is completely new,

так как созданный нами протеин абсолютно новый

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

и в природе нет ни одного организма с геном, кодирующим данный белок.

Our advances in understanding protein folding

Углубление понимания процесса белкового фолдинга

and how to design proteins,

и создания белков

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

наряду со снижением стоимости генного синтеза

and the Moore's law increase in computing power,

и ростом производительности компьютера согласно закону Мура

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

позволяет нам создавать десятки тысяч белков

with new shapes and new functions,

с новыми формами и функциями

on the computer,

при помощи компьютера

and encode each one of those in a synthetic gene.

и кодировать каждый белок в синтетическом гене.

Once we have those synthetic genes,

Затем мы помещаем эти синтетические

we put them into bacteria

гены внутрь бактерий

to program them to make these brand-new proteins.

и программируем их на производство новых белков.

We then extract the proteins

После этого мы извлекаем белки

and determine whether they function as we designed them to

и определяем, выполняют ли они ожидаемые функции

and whether they're safe.

и являются ли они безопасными.

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

Создавать новые белки очень увлекательно,

because despite the diversity in nature,

так как несмотря на природное разнообразие,

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

используется лишь малейшая часть всех возможных белков.

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

Как я уже говорил, природа использует 20 аминокислот,

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

а типичный белок состоит из 100 аминокислот.

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

Таким образом число возможных комбинаций составляет 20×20×20×100.

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

Это даёт нам число 10 в 130 степени,

which is enormously more than the total number of proteins

что значительно превышает общее число белков,

which have existed since life on earth began.

существовавших с возникновения жизни на земле.

And it's this unimaginably large space

Теперь, используя компьютерное проектирование,

we can now explore using computational protein design.

мы можем значительно расширить область исследований.

Now the proteins that exist on earth

Белки, существующие в природе,

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

адаптировались так, чтобы решать проблемы естественной эволюции,

For example, replicating the genome.

как, например, репликация ДНК.

But we face new challenges today.

Но сегодня мы сталкиваемся с новой проблемой.

We live longer, so new diseases are important.

Мы живём дольше, поэтому появляются новые заболевания.

We're heating up and polluting the planet,

Планета нагревается и загрязняется,

so we face a whole host of ecological challenges.

поэтому мы сталкиваемся с целым рядом экологических проблем.

If we had a million years to wait,

Если бы мы располагали временем,

new proteins might evolve to solve those challenges.

возможно, мы могли бы подождать, пока возникнут новые белки.

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

Но мы не можем ждать миллион лет.

Instead, with computational protein design,

Вместо этого, чтобы решить эти проблемы,

we can design new proteins to address these challenges today.

мы можем создать новые белки с помощью компьютера.

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

Наша смелая цель — вывести биологию из фазы каменного века

through technological revolution in protein design.

посредством технологической революции в дизайне белков.

We've already shown that we can design new proteins

Мы уже доказали возможность создания новых протеинов

with new shapes and functions.

с новыми функциями и формой.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

Вакцина, к примеру, стимулирует иммунную систему для того,

to make a strong response against a pathogen.

чтобы та дала отпор патогену.

To make better vaccines,

Для более эффективных вакцин

we've designed protein particles

мы создали особые белковые частицы,

to which we can fuse proteins from pathogens,

к которым можно присоединить белки патогенов,

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

как этот синий белок респираторного вируса ВСДП.

To make vaccine candidates

Экспериментальные вакцины,

that are literally bristling with the viral protein,

наполненные вирусным белком,

we find that such vaccine candidates

как было обнаружено,

produce a much stronger immune response to the virus

вызывают гораздо более активную реакцию иммунитета на вирус,

than any previous vaccines that have been tested.

чем все ранее тестированные вакцины.

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

Это открытие чрезвычайно важно, так как вирус ВСДП является

of infant mortality worldwide.

одной из основных причин детской смертности.

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

Мы также создали белки, расщепляющие глютен в желудке

for celiac disease

при его непереносимости,

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

и белки, стимулирующие иммунитет при борьбе с раком.

These advances are the beginning of the protein design revolution.

Эти научные достижения — начало революции в создании белков.

We've been inspired by a previous technological revolution:

Нас вдохновила технологическая революция,

the digital revolution,

а именно цифровая,

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

успехи которой были достигнуты в основном

Bell Laboratories.

в Лабораториях Белла,

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

где царила атмосфера сотрудничества,

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

привлекались талантливые учёные со всего мира.

And this led to a remarkable string of innovations --

Это привело к череде значительных инноваций:

the transistor, the laser, satellite communication

к изобретению транзистора, лазера, спутниковой связи,

and the foundations of the internet.

а также положило начало Интернету.

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

Мы стремимся создать Лаборатории Белла по дизайну белков.

We are seeking to attract talented scientists from around the world

Мы хотим привлечь талантливых учёных со всего мира

to accelerate the protein design revolution,

и ускорить процесс революции в создании белков.

and we'll be focusing on five grand challenges.

Мы нацелим своё внимание на пять основных проблем.

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

Во-первых, путём извлечения белков из штаммов гриппа по всему миру

and putting them on top of the designed protein particles

и помещая их на созданные белковые частицы,

I showed you earlier,

которые я продемонстрировал ранее,

we aim to make a universal flu vaccine,

мы собираемся создать универсальную вакцину против гриппа,

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

одна инъекция которой защитит от гриппа на всю жизнь.

The ability to design --

Способность создавать...

(Applause)

(Аплодисменты)

The ability to design new vaccines on the computer

Способность создавать новые вакцины при помощи компьютера

is important both to protect against natural flu epidemics

важна как для защиты от естественных эпидемий гриппа,

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

так и от международных актов биотерроризма.

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

Во-вторых, мы выходим за рамки природного алфавита,

of just 20 amino acids

состоящего только из 20 аминокислот,

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

чтобы разработать экспериментальное лечение хронических болей

using an alphabet of thousands of amino acids.

при помощи алфавита, состоящего из тысяч аминокислот.

Third, we're building advanced delivery vehicles

В-третьих, мы создаём усовершенствованные проводники,

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

способные доставить лекарство именно в то место организма, которое в этом нуждается.

For example, chemotherapy to a tumor

К примеру, направить химиотерапию к опухоли

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

или генную терапию к месту, где необходима репарация генов.

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

В-четвёртых, мы разрабатываем продвинутую терапию,

and go far beyond current medicines,

превосходящую современные лекарства,

which are really blunt instruments.

которые действуют слишком грубо.

For example, to target a small subset of immune cells

Данная терапия сможет воздействовать на небольшую группу клеток,

responsible for an autoimmune disorder,

вызывающую аутоиммунное заболевание,

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

отличая эти клетки от здоровых клеток иммунной системы.

Finally, inspired by remarkable biological materials

Наконец, вдохновившись биологическими материалами,

such as silk, abalone shell, tooth and others,

как, например, шёлк, раковина морского ушка, зубная ткань,

we're designing new protein-based materials

теперь мы создаём новые материалы на базе белка,

to address challenges in energy and ecological issues.

чтобы решить существующие проблемы энергии и экологии.

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

Для этого мы создаём наш институт.

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

Мы хотим, чтобы энергичные и талантливые учёные

from around the world, at all career stages,

со всего мира и на любых стадиях карьеры

to join us.

присоединились к нам.

You can also participate in the protein design revolution

Вы также можете принять участие в революции создания белков

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

через нашу онлайн игру «Foldit».

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

А также через наш проект распределённых вычислений «Rosetta@home»,

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

доступный как для ноутбуков, так и для смартфонов системы Android.

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

Цель моей жизни — сделать мир лучше через создание белков.

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

Вместе мы можем достичь небывалого.

I hope you'll join us,

Мы ждём вас,

and thank you.

спасибо за внимание.

(Applause and cheers)

(Аплодисменты и одобрительные возгласы)