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

Translator: Ivana Korom Reviewer: Krystian Aparta

Översättare: Baharan Ali Doosti Granskare: Annika Bidner

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

När jag växte upp i centrala Wisconsin, spenderade jag mycket tid utomhus.

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

På våren kunde jag känna den berusande doften av syren.

In the summer, I loved the electric glow of fireflies

Om sommaren älskade jag eldflugornas skimrande glöd

as they would zip around on muggy nights.

när de surrade omkring under kvalmiga nätter.

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

På hösten var myrarna överfyllda med den lysande röda färgen av tranbär.

Even winter had its charms,

Även vintern hade sin charm,

with the Christmassy bouquet emanating from pine trees.

med sin juliga bukett som reste sig från tallarna.

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

För mig har naturen alltid varit en källa till förundran och inspiration.

När jag gick vidare till forskarskolan inom kemi, och under senare år,

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

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

fick jag en djupare förståelse av naturen på molekylnivå.

All the things that I just mentioned,

Alla saker som jag nyss nämnt -

from the scents of lilacs and pines

från doften av syren och tallar

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

till lysande röda tranbär och glöden av eldflugor -

have at least one thing in common:

har minst en sak gemensamt:

they're manufactured by enzymes.

De är tillverkade av enzymer.

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

Som jag sa, växte jag upp i Wisconsin, och gillar självklart ost

and the Green Bay Packers.

och fotbollslaget Green Bay Packers.

But let's talk about cheese for a minute.

Men låt oss prata om ost en stund.

For at least the last 7,000 years,

Under de senaste 7 000 åren

humans have extracted a mixture of enzymes

har människan utvunnit olika slags enzymer

from the stomachs of cows and sheep and goats

ur kors, fårs och getters magar

and added it to milk.

och tillsatt dem i mjölk.

Detta får mjölken att koagulera

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

vilket är en del av osttillverkningsprocessen.

The key enzyme in this mixture is called chymosin.

Det viktigaste enzymet i blandningen kallas kymosin.

I want to show you how that works.

Jag vill visa er hur det funkar.

Right here, I've got two tubes,

Här har jag två provrör, och kommer att lägga till kymosin i det ena.

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

Just a second here.

Ett ögonblick bara…

Now my son Anthony, who is eight years old,

Min son Anthony, som är åtta år gammal,

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

ville gärna hjälpa mig komma på ett experiment för TED-föredraget.

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

Så vi var i köket, och skar upp ananas,

extracting enzymes from red potatoes

extraherade enzymer från röd potatis,

and doing all kinds of demos in the kitchen.

och gjorde alla slags experiment.

And in the end, though,

Till slut tyckte vi att kymosinexperimentet

we thought the chymosin demo was pretty cool.

blev rätt häftigt.

And so what's happening here

Det som händer här

is the chymosin is swimming around in the milk,

är att kymosinet simmar runt i mjölken,

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

och binder till ett protein som kallas kasein.

What it does then is it clips the casein --

Vad det gör sen är att det klipper kaseinet,

it's like a molecular scissors.

det fungerar som en molekylär sax.

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

Det är själva klippfunktionen som gör att mjölken koagulerar.

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

Här är vi i köket och jobbar på detta.

OK.

Okej.

So let me give this a quick zip.

Jag sätter snabbt på locket

och lägger sedan rören åt sidan för att låta dem puttra i någon minut.

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

OK.

Okej.

If DNA is the blueprint of life,

Om DNA är livets instruktionsmanual

enzymes are the laborers that carry out its instructions.

så är enzymerna arbetarna som fullföljer dess instruktioner.

An enzyme is a protein that's a catalyst,

Enzymet är ett protein som är en katalysator;

it speeds up or accelerates a chemical reaction,

det påskyndar eller accelererar en kemisk reaktion,

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

precis på samma sätt som kymosinet här påskyndar mjölkens koagulering.

But it's not just about cheese.

Men det handlar inte bara om ost.

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

Medan enzymer spelar en viktig roll för livsmedlen vi äter,

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

är de också involverade i allt från ett spädbarns hälsa

to attacking the biggest environmental challenges

till att tackla de största miljöutmaningarna

we have today.

vi har idag.

The basic building blocks of enzymes are called amino acids.

Enzymernas grundläggande byggstenar kallas för aminosyror.

There are 20 common amino acids,

Det finns 20 vanliga aminosyror

and we typically designate them with single-letter abbreviations,

som vi brukar förse med en bokstavsbeteckning,

so it's really an alphabet of amino acids.

så det finns ett helt alfabet av aminosyror.

In an enzyme, these amino acids are strung together,

I ett enzym är dessa aminosyror hoplänkade

like pearls on a necklace.

som pärlor i ett halsband.

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

Och det är faktiskt det som utgör aminosyrornas identitet:

which letters are in that necklace,

Det är bokstavskombinationen i halsbandet,

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

ordningen de förekommer i, samt vad de stavar till,

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

som ger enzymet sina unika egenskaper och särskiljer det från andra enzymer.

Now, this string of amino acids,

Den här strängen av aminosyror, detta halsband,

this necklace,

folds up into a higher-order structure.

vecklas ut i ett övergripande mönster.

And if you were to zoom in at the molecular level

Om man skulle zooma in på den molekylära nivån

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

och ta en titt på kymosinet, enzymet som jobbar här borta,

you would see it looks like this.

skulle det se ut så här.

Det är alla dessa trådar, öglor och spiraler vridna åt olika håll

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

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

som måste ha just denna form för att fungera korrekt.

Nowadays, we can make enzymes in microbes,

Numera kan vi skapa enzymer i mikrober,

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

vilket exempelvis kan vara bakterier eller jäst.

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

Sättet vi gör det på är att ta en bit DNA

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

som innehåller ett enzym vi är intresserade av,

we insert that into the microbe,

sätter in enzymet i mikroben,

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

och låter mikroben använda sitt eget system, sina egna resurser,

to produce that enzyme for us.

för att tillverka enzymet åt oss.

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

Vill man framställa kymosin behövs ingen en kalv nuförtiden,

you could get this from a microbe.

det kan utvinnas ur en mikrob.

And what's even cooler, I think,

Och vad som är ännu häftigare, tycker jag,

is we can now dial in completely custom DNA sequences

är att vi nu helt kan anpassa DNA-sekvenser

to make whatever enzymes we want,

för att skapa alla enzymer vi vill,

stuff that's not out there in nature.

sådana som inte finns ute i naturen.

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

Och för mig är det den riktigt roliga biten:

is trying to design an enzyme for a new application,

att försöka designa ett enzym för nya användningsområden

arranging the atoms just so.

genom att arrangera om atomerna.

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

Att ta ett enzym från naturen och mecka med aminosyrorna,

tinkering with those letters,

pilla med deras bokstäver,

putting some letters in, taking some letters out,

och lägga till och ta bort några bokstäver,

maybe rearranging them a little bit,

kanske arrangera om dem lite grann,

is a little bit like finding a book

är ungefär som att hitta en bok

and editing a few chapters or changing the ending.

och redigera några kapitel eller ändra på slutet.

In 2018, the Nobel prize in chemistry

År 2018 delades Nobelpriset i kemi ut

was given for the development of this approach,

för utvecklingen av denna metod,

which is known as directed evolution.

vilken kallas "riktad evolution".

Nowadays, we can harness the powers of directed evolution

Numera kan vi utnyttja krafterna i riktad evolution

to design enzymes for custom purposes,

till att designa enzymer för anpassade ändamål.

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

Ett av dessa är att utforma enzymer för nya tillämpningsområden, som tvätt.

like laundry.

Precis som att enzymerna i kroppen

So just as enzymes in your body

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

kan hjälpa dig bryta ner maten du äter

enzymes in your laundry detergent

kan enzymer i tvättmedlet

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

hjälpa dig bryta ner fläckarna på dina kläder.

It turns out that about 90 percent of the energy

Det visar sig att runt 90 procent av energin

that goes into doing the wash

som går till tvätt kommer från vattenuppvärmningen.

is from water heating.

And that's for good reason --

Och det är av goda skäl -

the warmer water helps to get your clothes clean.

det varma vattnet hjälper till att göra dina kläder rena.

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

Men tänk om du kunde tvätta i kallt vatten istället?

Du skulle definitivt spara en slant, och utöver det,

You certainly would save some money,

and in addition to that,

according to some calculations done by Procter and Gamble,

visar beräkningar gjorda av Procter and Gamble

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

att om alla hushåll i USA skulle tvätta i kallt vatten,

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

skulle vi minska utsläppen med 32 ton koldioxid per år.

That's a lot,

Det är mycket, och motsvarar ungefär

that's about the equivalent

of the carbon dioxide emitted by 6.3 million cars.

koldioxidutsläpp från 6,3 miljoner bilar.

So, how would we go about designing an enzyme

Så hur skulle vi gå tillväga med att designa ett enzym

för att förverkliga sådana förändringar?

to realize these changes?

Enzymes didn't evolve to clean dirty laundry,

Enzymer har inte utvecklats för att rengöra smutsig tvätt,

much less in cold water.

än mindre i kallt vatten.

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

Men vi kan gå till naturen för att finna en utgångspunkt.

We can find an enzyme that has some starting activity,

Vi kan hitta ett enzym med vissa förutsättningar,

some clay that we can work with.

en bas som vi kan jobba med.

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

Här är exempel på ett sådant enzym på skärmen.

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

Och vi kan börja mecka med aminosyrorna, som jag nämnt:

putting some letters in, taking some letters out,

genom att lägga till några bokstäver, ta bort andra och ordna om dem.

rearranging those.

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

Genom att göra det kan vi generera tusentals enzymer.

And we can take those enzymes,

Vi kan ta enzymerna,

and we can test them in little plates like this.

och testa dem i små plattor som dessa.

So this plate that I'm holding in my hands

Plattan som jag håller i mina händer

contains 96 wells,

innehåller 96 brunnar.

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

I varje brunn finns ett tygstycke med en fläck på.

And we can measure how well each of these enzymes

Vi kan mäta hur effektivt varje enzym

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

kan ta bort fläckarna från tygstyckena

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

och på så sätt se hur bra det fungerar.

And we can do this using robotics,

Vi kan göra det här med hjälp av robotik,

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

som du strax får se på skärmen.

OK, so we do this, and it turns out

Okej, när vi gör detta visar det sig

that some of the enzymes are sort of in the ballpark

att en del av enzymerna

hamnar rätt nära utgångsenzymet.

of the starting enzyme.

That's nothing to write home about.

Det är inget att hänga i granen.

Some are worse, so we get rid of those.

Vissa är värre, så vi gör oss av med dem.

And then some are better.

Andra är bättre.

Those improved ones become our version 1.0s.

De förbättrade enzymerna blir vår version 1.0.

Those are the enzymes that we want to carry forward,

Det är enzymerna som vi vill förädla,

and we can repeat this cycle again and again.

och denna cykel kan upprepas om och om igen.

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

Det är upprepningen av cykeln som låter oss komma på ett nytt enzym,

something that can do what we want.

något som kan göra det vi vill.

And after several cycles of this,

Och efter flera sådana cykler,

we did come up with something new.

uppfann vi faktiskt något nytt:

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

Du kan gå till stormarknaden idag och köpa ett tvättmedel

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

som låter dig tvätta i kallt vatten tack vare enzymer som de här.

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

Jag vill visa er hur tekniken fungerar.

So I've got two more tubes here,

Jag har ytterligare två rör här,

and these are both milk again.

som båda innehåller mjölk igen.

And let me show you,

Låt mig demonstrera:

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

Jag har ett rör som jag ska hälla enzymet i

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

och ett annat där jag blandar i vatten - det är kontrollprovet,

And that's the control,

so nothing should happen in that tube.

där inget förväntas hända.

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

Du kanske är nyfiken på varför jag gör detta med mjölk.

But the reason that I'm doing this

Det beror på att

is because milk is just loaded with proteins,

mjölken är full av proteiner

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

och det är väldigt enkelt att se hur enzymet funkar i en proteinlösning

because it's a master protein chopper,

för att det är en mästare på att klippa proteiner,

that's its job.

det är dess uppgift.

So let me get this in here.

Låt mig lägga till enzymet här.

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

Som ni vet, är det som sagt en mästare på att klippa proteiner.

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

Det man kan göra är att föra över enzymets effekt i den här mjölken

to what it would be doing in your laundry.

till vad det kan göra med din tvätt.

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

Det är ett sätt att föreställa sig vad som kan hända.

OK, so those both went in.

Okej, nu har båda hällts i.

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

Och jag kommer att ge dem en snabb omskakning också.

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

Vi låter dem stå här borta med kymosinprovet

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

och återkommer till dessa senare mot slutet.

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

Hur ser utsikterna ut för enzymdesign?

Framstegen kommer bli snabba.

Certainly, it will get it faster --

Det finns nu strategier för att utveckla enzymer

there are now approaches for evolving enzymes

that allow researchers to go through far more samples

som låter forskare hantera betydligt fler prover

than I just showed you.

än jag precis visat er.

And in addition to tinkering with natural enzymes,

Och förutom att pilla med naturliga enzymer,

like we've been talking about,

som vi har pratat om,

some scientists are now trying to design enzymes from scratch,

försöker vissa forskare nu utforma enzymer från grunden,

using machine learning, an approach from artificial intelligence,

genom att använda maskininlärning, en metod från artificiell intelligens,

to inform their enzyme designs.

för att förbättra sin enzymdesign.

Still others are adding unnatural amino acids to the mix.

Det finns också de

som lägger till onaturliga aminosyror i blandningen.

We talked about the 20 natural amino acids,

Vi nämnde tidigare de 20 naturliga aminosyrorna,

the common amino acids, before --

de vanliga aminosyrorna.

they're adding unnatural amino acids

Forskarna lägger till onaturliga aminosyror

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

för att utforma enzymer med egenskaper som inte finns i naturen.

That's a pretty neat area.

Det är ett rätt spännande område.

How will designed enzymes affect you in years to come?

Hur kommer designade enzymer att påverka dig framöver?

Well, I want to focus on two areas:

Jag vill fokusera på två områden:

human health and the environment.

människohälsa och miljö.

Some pharmaceutical companies

Vissa läkemedelsföretag

now have teams that are dedicated to designing enzymes

har nu forskarlag som ägnar sig åt att designa enzymer

to make drugs more efficiently and with fewer toxic catalysts.

för effektivare tillverkning av läkemedel med färre giftiga katalysatorer.

For example, Januvia,

Januvia, till exempel,

which is a medication to treat type 2 diabetes,

vilket är ett läkemedel som används

is made partially with enzymes.

för att behandla diabetes typ 2, framställs delvis av enzymer.

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

Antalet läkemedel tillverkade med enzymer kommer säkert att öka i framtiden.

In another area,

Inom andra områden finns det vissa sjukdomar

there are certain disorders

där ett enstaka enzym i kroppen inte fungerar som det ska.

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

Ett exempel på detta kallas fenylketonuri,

An example of this is called phenylketonuria,

or PKU for short.

som förkortas PKU.

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

Människor med PKU kan inte smälta eller bryta ner fenylalanin ordentligt,

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

vilket är en av de 20 vanliga aminosyrorna som vi har pratat om.

The consequence of ingesting phenylalanine for people with PKU

Ett intag av fenylalanin för människor med PKU medför

is that they are subject to permanent intellectual disabilities,

att de riskerar drabbas av mental utvecklingsstörning med bestående men.

so it's a scary thing to have.

Så det är något läskigt att ha.

Now, those of you with kids --

Ni med barn -

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

vilka av er har barn här?

A lot of you.

Det är många.

So may be familiar with PKUs,

Ni kanske känner till PKU

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

eftersom alla spädbarn i USA måste testas för sjukdomen.

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

Jag minns när min son Anthony blev testad för det genom hälen.

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

Sjukdomens stora utmaning är vad man ska äta.

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

Fenylalanin finns i så många livsmedel; det är otroligt svårt att undvika.

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

Anthony har nötallergi, vilket jag tyckte var tufft,

but PKU's on another level of toughness.

men PKU är långt mycket svårare.

However, new enzymes may soon enable PKU patients

Däremot kan nya enzymer snart göra det möjligt för PKU-patienter

to eat whatever they want.

att äta vad de vill.

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

Nyligen godkände Livsmedelsverket ett enzym utformat för att behandla PKU.

This is big news for patients,

Det är stora nyheter för patienter,

and it's actually very big news

och överlag ett stort framsteg

for the field of enzyme-replacement therapy more generally,

för enzymersättningsbehandlingar

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

eftersom det finns fler områden där detta skulle vara en bra metod.

So that was a little bit about health.

Det var alltså lite om hälsa.

Now I'm going to move to the environment.

Nu ska jag gå vidare till miljön.

När jag läser om plastberget i Stilla havet

When I read about the Great Pacific Garbage Patch --

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

– som förresten är en enorm plastö

somewhere between California and Hawaii --

någonstans mellan Kalifornien och Hawaii –

and about microplastics pretty much everywhere,

och om mikroplast nästan överallt,

it's upsetting.

är det upprörande.

Plastics aren't going away anytime soon.

Plasten försvinner inte så snabbt.

But enzymes may help us in this area as well.

Men enzymer kan hjälpa oss även i detta område.

Recently, bacteria producing plastic-degrading enzymes were discovered.

Nyligen har man upptäckt bakterier som producerar plastnedbrytande enzymer.

Efforts are already underway to design improved versions

Det görs redan försök att designa förbättrade versioner

of these enzymes.

av enzymerna.

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

Samtidigt finns det enzymer som har upptäckts och förädlas

and that are being optimized

to make non-petroleum-derived biodegradable plastics.

för att skapa biologiskt nedbrytbar plast som inte är oljebaserad.

Enzymes may also offer some help in capturing greenhouse gases,

Enzymer kan också hjälpa att fånga växthusgaser,

such as carbon dioxide, methane and nitrous oxide.

som koldioxid, metan och dikväveoxid.

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

Det medför tveklöst stora utmaningar

and none of them are easy.

och ingen av dem är lätt.

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

Men vår förmåga att utvinna enzymer kan hjälpa oss

att ta itu med dem i framtiden.

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

Så jag tror att det är ett annat område att se fram emot.

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

Nu går jag tillbaka till experimenten,

this is the fun part.

den roliga biten.

So we'll start with the chymosin samples.

Vi börjar med kymosinproven.

So let me get these over here.

Jag lägger dem här.

And you can see here,

Här kan man se

this is the one that got the water,

att detta är röret som fick vattnet

so nothing should happen to this milk.

så ingenting borde hända med den här mjölken.

This is the one that got the chymosin.

Här är röret som fick kymosinet.

So you can see that it totally clarified up here.

Man kan se att det är helt klart upptill.

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

Den stelnade biten är ost -

we just made cheese in the last few minutes.

vi har just framställt ost på några minuter.

So this is that reaction

Det är en kemisk reaktion

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

som människor har framkallat i tusentals år.

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

Jag tror vi ska göra experimentet

på vår nästa uppvisning för "Barn med på jobbet-dagen",

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

men de kan vara en tuff publik, så vi får se.

(Laughter)

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

Här är det andra provet jag vill titta på.

So this is the enzyme for doing your laundry.

Det här är enzymet som används för tvätt.

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

Det skiljer sig från provet med tillsatt vatten.

It's kind of clarifying,

Det agerar upplösande -

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

precis den effekt man önskar att enzymet ska ha på tvätten

because you want to be able to have an enzyme

då man vill ha ett enzym

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

som kan sluka upp proteinet.

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

Klädfläckar, som chokladmjölk eller gräsfläckar,

like chocolate milk or grass stains, for example,

består av olika proteiner

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

och något sådant kommer hjälpa en få bort dem.

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

Det kommer också att möjliggöra

tvätt i kallt vatten, minskning av koldioxidavtrycket

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

and save you some money.

och besparing av lite pengar.

Well, we've come a long way,

Vi har kommit långt

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

med tanke på den sjutusenåriga resan från enzymer i osttillverkning

to the present day and enzyme design.

till nutid och enzymutformning.

We're really at a creative crossroads,

Vi står verkligen i ett nyskapande skede

and with enzymes, can edit what nature wrote

där vi med med enzymer kan ändra på naturens manual

or write our own stories with amino acids.

eller skriva ner våra egna instruktioner för aminosyror.

So next time you're outdoors on a muggy night

Så nästa gång du är ute en varm natt

och får syn på en eldfluga

and you see a firefly,

I hope you think of enzymes.

hoppas jag att du tänker på enzymer.

They're doing amazing things for us today.

De gör fantastiska saker för oss idag.

And by design,

Och med enzymutformningen

they could be doing even more amazing things tomorrow.

skulle de kunna göra större underverk imorgon.

Thank you.

(Applause)

Tack.

(Applåder)