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

Translator: Nikola Betková Reviewer: Lenka Abelovská

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

Predstavím vám najvyspelejšie mechanizmy na svete

a čo všetko s nimi dokážeme.

and what we can now do with them.

Proteins,

Bielkoviny, ako tieto vo vnútri bunky,

some of which you see inside a cell here,

carry out essentially all the important functions in our bodies.

vykonávajú všetky dôležité funkcie v ľudskom tele.

Proteins digest your food,

Bielkoviny trávia potravu,

contract your muscles,

spôsobujú svalové kontrakcie,

fire your neurons

aktivujú naše neuróny

and power your immune system.

a ovplyvňujú imunitný systém.

Everything that happens in biology --

Takmer všetky biologické procesy

almost --

sú riadené bielkovinami.

happens because of proteins.

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

Proteíny sú lineárne reťazce zložené z aminokyselín.

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

Prírodná abeceda má 20 aminokyselín,

some of which have names you may have heard of.

o niektorých z nich ste už možno počuli.

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

Pre porovnanie, každý uzol na obrázku predstavuje atóm.

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

Väzby medzi aminokyselinami skladajú dlhé vlákna molekúl

to fold up into unique, three-dimensional structures.

do priestorových štruktúr s unikátnym tvarom.

The folding process,

Skladanie môže vyzerať celkom náhodne,

while it looks random,

is in fact very precise.

ale ide o komplexný proces.

Each protein folds to its characteristic shape each time,

Každý proteín má charakteristický tvar

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

a celý proces skladania trvá len zlomok sekundy.

Práve tvar umožňuje proteínom plniť

And it's the shapes of proteins

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

významné biologické funkcie.

For example,

Napríklad tvar hemoglobínu v pľúcach

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

je dokonale prispôsobený na naviazanie kyslíka.

for binding a molecule of oxygen.

When hemoglobin moves to your muscle,

Keď sa hemoglobín presunie do svalov,

the shape changes slightly

jeho tvar sa mierne zmení

and the oxygen comes out.

a kyslík sa dostane von.

The shapes of proteins,

Štruktúru proteínov

and hence their remarkable functions,

a ich jedinečné funkcie

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

určuje postupnosť aminokyselín v proteínovom reťazci.

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

Každé písmeno na obrázku hore označuje aminokyselinu.

Where do these sequences come from?

Odkiaľ sa tieto sekvencie vzali?

The genes in your genome specify the amino acid sequences

Gény v genóme určujú postupnosť aminokyselín.

of your proteins.

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

V každom géne je zakódovaná sekvencia jedného proteínu.

The translation between these amino acid sequences

Prekladanie sekvencií aminokyselín

and the structures and functions of proteins

do štruktúr a funkcií proteínov

is known as the protein folding problem.

je známe ako problém skladania proteínov.

It's a very hard problem

Je to veľmi zložitý problém,

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

lebo proteíny sa skladajú do rôznych štruktúr.

Zložitosť tohto procesu

Because of this complexity,

humans have only been able to harness the power of proteins

umožnila ľuďom využiť vlastnosti proteínov

by making very small changes to the amino acid sequences

len nepatrnými zmenami v postupnosti aminokyselín

of the proteins we've found in nature.

proteínov vyskytujúcich sa v prírode.

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

Podobne postupovali naši predkovia v dobe kamennej,

to make tools and other implements from the sticks and stones

keď si vyrábali náradie z palíc a kameňov

that we found in the world around us.

nachádzajúcich sa navôkol.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

No ľudstvo sa neučilo lietať pozmeňovaním vtákov.

(Laughter)

(smiech)

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

Namiesto toho vedci, inšpirovaní vtákmi, odhalili princípy aerodynamiky.

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

Inžinieri ich následne využili na zostrojenie lietajúcich strojov.

In a similar way,

Aj my sa už niekoľko rokov snažíme

we've been working for a number of years

to uncover the fundamental principles of protein folding

odhaliť princípy skladania proteínov

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

a zakódovať ich do počítačového programu Rosetta.

We made a breakthrough in recent years.

V posledných rokoch sme zásadne pokročili.

Dnes dokážeme na počítači vytvoriť úplne nové proteíny.

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

Once we've designed the new protein,

Keď navrhneme nový proteín,

zakódujeme jeho sekvenciu do syntetického génu.

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

We have to make a synthetic gene

Musíme vytvoriť syntetický gén,

because since the protein is completely new,

pretože proteíny sú úplne nové

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

a nie sú súčasťou genómu žiadnej živej bytosti.

Our advances in understanding protein folding

Naše pokroky v chápaní procesu skladania proteínov

and how to design proteins,

a schopnosti vytvárať ich

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

vzrástli s klesajúcou cenou génovej syntézy

and the Moore's law increase in computing power,

a nárastom výpočtovej sily podľa Moorovho zákona

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

a umožňujú nám vytvárať tisícky proteínov

with new shapes and new functions,

s novými štruktúrami a funkciami,

on the computer,

a to na počítači,

and encode each one of those in a synthetic gene.

a zakódovať ich do syntetického génu.

Once we have those synthetic genes,

Tieto syntetické gény potom vložíme do baktérie

we put them into bacteria

to program them to make these brand-new proteins.

a naprogramujeme ich na tvorbu tých nových proteínov.

We then extract the proteins

Proteíny následne extrahujeme

and determine whether they function as we designed them to

a zistíme, či sa ich funkcia zhoduje s naším dizajnom

and whether they're safe.

a či sú bezpečné.

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

Je vzrušujúce vytvárať nové proteíny,

because despite the diversity in nature,

lebo aj napriek rozmanitosti prírody

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

sa evolúcia dotkla len čiastočky možných proteínov.

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

Ako som spomenul, prírodná abeceda má 20 písmen

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

a proteínový reťazec zvyčajne tvorí zhruba 100 aminokyselín,

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

takže celkový počet možností je 20-krát 20-krát 20 na 100,

čo je približná hodnota mocniny 10 na 130,

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

which is enormously more than the total number of proteins

čiže oveľa viac než celkový počet proteínov,

which have existed since life on earth began.

ktoré kedy existovali od počiatku života na Zemi.

And it's this unimaginably large space

A toto obrovské spektrum

we can now explore using computational protein design.

nám otvára počítačový dizajn proteínov.

Now the proteins that exist on earth

Existujúce proteíny sa prispôsobili

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

nástrahám prirodzeného vývoja.

For example, replicating the genome.

Napríklad replikáciu genómu.

But we face new challenges today.

Ale objavujú sa nové problémy.

We live longer, so new diseases are important.

Žijeme dlhšie a vznikajú nové ochorenia.

We're heating up and polluting the planet,

Ohrievame a znečisťujeme planétu,

so we face a whole host of ecological challenges.

takže čelíme množstvu rôznych ekologických problémov.

If we had a million years to wait,

Ak by sme mohli čakať milión rokov,

new proteins might evolve to solve those challenges.

mohli by sa vyvinúť proteíny, ktoré by to vyriešili.

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

Ale my toľko času nemáme.

Instead, with computational protein design,

No vďaka počítačovému dizajnu proteínov

we can design new proteins to address these challenges today.

dokážeme nové proteíny vytvoriť už dnes.

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

Naším cieľom je vzkriesiť biológiu

through technological revolution in protein design.

technologickou revolúciou v proteínovom dizajne.

We've already shown that we can design new proteins

Už sme dokázali, že vieme vytvoriť proteíny

with new shapes and functions.

s novými štruktúrami a funkciami.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

Napríklad vakcíny stimulujú imunitný systém

to make a strong response against a pathogen.

na vyvolanie reakcie proti patogénom.

To make better vaccines,

Aby sme vylepšili vakcíny,

we've designed protein particles

vytvorili sme bielkovinové častice,

to which we can fuse proteins from pathogens,

ktoré sú schopné viazať proteíny patogénov,

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

ako tento modrý proteín respiračného vírusu RSV.

To make vaccine candidates

Pri výrobe kandidátskych vakcín,

that are literally bristling with the viral protein,

ktoré sa hemžia vírusovými proteínmi,

we find that such vaccine candidates

vyvolávajú oveľa silnejšiu imunitnú odpoveď na vírus

produce a much stronger immune response to the virus

than any previous vaccines that have been tested.

než všetky dovtedy testované vakcíny.

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

A to je dôležité, lebo RSV je dnes celosvetovo

jednou z hlavných príčin detskej úmrtnosti.

of infant mortality worldwide.

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

Taktiež sme vyvinuli proteíny,

ktoré pomáhajú celiatikom rozkladať v žalúdku glutén,

for celiac disease

a proteíny stimulujúce imunitu na boj proti rakovine.

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

These advances are the beginning of the protein design revolution.

Toto sú len začiatky revolúcie v proteínovom dizajne.

We've been inspired by a previous technological revolution:

Nechali sme sa inšpirovať predošlou technologickou revolúciou:

the digital revolution,

digitálna revolúcia

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

nastala predovšetkým vďaka pokrokom na jedinom mieste,

Bell Laboratories.

v Bellových laboratóriách.

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

Tie boli otvorené spolupráci,

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

a prilákali odborníkov zo všetkých kútov sveta,

And this led to a remarkable string of innovations --

To spustilo pozoruhodnú vlnu inovácií

the transistor, the laser, satellite communication

a vznikli tranzistor, laser, satelitná komunikácia

and the foundations of the internet.

či základy internetu.

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

Chceme vybudovať obdobné laboratóriá proteínového dizajnu.

We are seeking to attract talented scientists from around the world

Snažíme sa zaujať odborníkov z celého sveta

to accelerate the protein design revolution,

a rozbehnúť revolúciu v proteínovom dizajne,

and we'll be focusing on five grand challenges.

pričom sa sústredíme na päť problémov.

Najprv extrahujeme proteíny rozličných kmeňov chrípky

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

and putting them on top of the designed protein particles

a umiestnime ich na povrch proteínových častíc,

I showed you earlier,

ktoré som vám ukázal,

we aim to make a universal flu vaccine,

aby sme vyvinuli univerzálnu vakcínu,

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

ktorá by očkovaným poskytla doživotnú ochranu pred chrípkou.

The ability to design --

Schopnosť vyvinúť...

(Applause)

(potlesk)

The ability to design new vaccines on the computer

Schopnosť vyvinúť vakcíny na počítači

is important both to protect against natural flu epidemics

je dôležitá pre ochranu proti chrípkovým epidémiám,

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

ale aj cieleným bioteroristickým útokom.

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

Ako druhé chceme prekročiť limit prírodnej abecedy

of just 20 amino acids

zloženej len z 20 aminokyselín,

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

aby sme vyvinuli kandidátov na liečbu chronickej bolesti a iných stavov,

using an alphabet of thousands of amino acids.

pri použití abecedy tisícky aminokyselín.

Third, we're building advanced delivery vehicles

Ako tretie budujeme moderné systémy na podávanie liekov,

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

ktoré dodajú liečivo priamo do epicentra ochorenia v tele.

For example, chemotherapy to a tumor

Napríklad chemoterapiu do nádoru

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

alebo génovú terapiu do tkaniva, ktoré si vyžaduje génovú liečbu.

Po štvrté, vyvíjame inteligentné terapeutiká,

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

ktoré v tele dokážu vykonávať výpočty

and go far beyond current medicines,

a presahujú hranice súčasných liečiv, ktoré sú len primitívnymi nástrojmi.

which are really blunt instruments.

For example, to target a small subset of immune cells

Aby sme mohli vyhľadať podskupinu imunitných buniek

responsible for an autoimmune disorder,

zodpovedných za autoimunitné ochorenie

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

a odlíšiť ich od ostatných, zdravých imunitných buniek.

Finally, inspired by remarkable biological materials

Naše posledné riešenie je inšpirované biomateriálmi

such as silk, abalone shell, tooth and others,

ako hodváb, lastúry, zuby a podobe,

we're designing new protein-based materials

na výrobu materiálov na báze proteínov,

to address challenges in energy and ecological issues.

ktoré by vyriešili problémy v oblastiach energie a ekológie.

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

S týmito zámermi budujeme svoj inštitút.

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

Snažíme sa prilákať oddaných odborníkov z rôznych oblastí

from around the world, at all career stages,

z celého sveta a s rôznym stupňom kvalifikácie,

to join us.

aby sa k nám pridali.

You can also participate in the protein design revolution

Na revolúcii proteínového dizajnu sa môžete podieľať

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

aj prostredníctvom online hry na skladanie a dizajn „Foldit“

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

a cez náš počítačový projekt Rosetta@home,

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

dostupný cez laptop alebo smartfón s Androidom.

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

Zlepšiť svet dizajnom proteínov je mojím životným cieľom.

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

Teším sa na to, čo spolu dokážeme vytvoriť.

I hope you'll join us,

Dúfam, že sa k nám pridáte.

and thank you.

Ďakujem vám.

(Applause and cheers)

(potlesk)