Paul Rothemund: The astonishing promise of DNA folding

Translator: Uyên Võ Reviewer: Thao Phan

Con người tranh luận sôi nổi về định nghĩa của sự sống.

So, people argue vigorously about the definition of life.

Họ hỏi liệu định nghĩa đó gồm quá trình sinh sản, sự trao đổi chất hay tiến hoá.

They ask if it should have reproduction in it, or metabolism, or evolution.

Và tôi không biết câu trả lời cho câu hỏi đó, nên tôi sẽ không trả lời bạn.

And I don't know the answer to that, so I'm not going to tell you.

Tôi sẽ nói rằng sự sống liên quan đến việc lập trình.

I will say that life involves computation.

Đây là một chương trình máy tính.

So this is a computer program.

Khởi động từ một tế bào, chương trình sẽ chạy,

Booted up in a cell, the program would execute,

và cho kết quả là con người này;

and it could result in this person;

hay với một sự thay đổi nhỏ, kết quả sẽ là người này;

or with a small change, it could result in this person;

hay với thay đổi nhỏ khác, là người này;

or another small change, this person;

hay với thay đổi lớn hơn, tạo ra con chó này,

or with a larger change, this dog,

hay cái cây này, hoặc con cá voi này.

or this tree, or this whale.

Vậy nên giờ, nếu bạn ví von bộ gen

So now, if you take this metaphor

thực sự là một chương trình,

[of] genome as program seriously,

bạn sẽ xem Chris Anderson

you have to consider that Chris Anderson

là kết quả của chương trình máy tính, cũng như Jim Watson,

is a computer-fabricated artifact, as is Jim Watson,

Craig Venter, cũng như tất cả chúng ta.

Craig Venter, as are all of us.

Và khi tự thuyết phục bản thân rằng phép ví von này đúng,

And in convincing yourself that this metaphor is true,

thì bạn sẽ thấy có nhiều nét tương đồng giữa

there are lots of similarities between genetic programs

chương trình di truyền và chương trình máy tính.

and computer programs that could help to convince you.

Nhưng theo tôi, điều quan trọng nhất

But one, to me, that's most compelling

là mức độ nhạy cảm với các thay đổi nhỏ

is the peculiar sensitivity to small changes

có thể dẫn đến thay đổi lớn trong quá trình phát triển sinh học - đầu ra.

that can make large changes in biological development -- the output.

Một đột biến nhỏ có thể biến con ruồi hai cánh

A small mutation can take a two-wing fly

thành bốn cánh.

and make it a four-wing fly.

Hoặc nó sẽ biến râu con ruồi thành chân.

Or it could take a fly and put legs where its antennae should be.

Hoặc như trong phim "Cô dâu công chúa,"

Or if you're familiar with "The Princess Bride,"

nó có thể tạo ra người có sáu ngón tay.

it could create a six-fingered man.

Điểm mốc của các chương trình máy tính

Now, a hallmark of computer programs

chỉ là sự nhạy cảm với những thay đổi nhỏ.

is just this kind of sensitivity to small changes.

Giả sử tài khoản ngân hàng của bạn là 1 đô, và bạn thay đổi một dấu chấm,

If your bank account's one dollar, and you flip a single bit,

bạn có thể có một nghìn đô.

you could end up with a thousand dollars.

Vậy nên những thay đổi nhỏ này là thứ mà tôi nghĩ rằng

So these small changes are things that I think

chúng chỉ ra một sự tính toán phức tạp

that -- they indicate to us that a complicated computation

trong quá trình phát triển nằm dưới những thay đổi lớn.

in development is underlying these amplified, large changes.

Vậy nên, tất cả điều này chỉ ra có những chương trình phân tử nằm dưới sinh vật học

So now, all of this indicates that there are molecular programs underlying biology,

và nó cho ta thấy sức mạnh của các lập trình sinh học phân tử.

and it shows the power of molecular programs -- biology does.

Và điều tôi muốn làm là viết các lập trình phân tử,

And what I want to do is write molecular programs,

để phát triển công nghệ

potentially to build technology.

Và có rất nhiều người đang làm điều này,

And there are a lot of people doing this,

rất nhiều nhà sinh học tổng hợp, như Craig Venter.

a lot of synthetic biologists doing this, like Craig Venter.

Và họ tập trung vào việc sử dụng tế bào.

And they concentrate on using cells.

Họ định hướng tế bào.

They're cell-oriented.

Vì vậy các bạn tôi, những nhà lập trình phân tử, và tôi

So my friends, molecular programmers, and I

tiếp cận theo hướng sinh học phân tử

have a sort of biomolecule-centric approach.

Chúng tôi quan tâm đến việc sử dụng DNA, RNA và protein,

We're interested in using DNA, RNA and protein,

và tạo ra ngôn ngữ mới cho việc xây dựng những điều từ căn bản

and building new languages for building things from the bottom up,

bằng các phân tử sinh học,

using biomolecules,

hầu như không liên quan đến sinh vật học.

potentially having nothing to do with biology.

Vì vậy, đây là tất cả bộ máy trong tế bào.

So, these are all the machines in a cell.

Đây là một camera

There's a camera.

Bộ máy năng lượng của tế bào

There's the solar panels of the cell,

một vài công tắc để bật tắt gen,

some switches that turn your genes on and off,

bộ xương tế bào, động cơ giúp bạn cử động cơ.

the girders of the cell, motors that move your muscles.

Nhóm lập trình phân tử nhỏ của tôi

My little group of molecular programmers

đang cố tái tạo các phần này từ DNA.

are trying to refashion all of these parts from DNA.

Chúng tôi không phải là người cuồng DNA, nhưng DNA là nguyên liệu rẻ nhất,

We're not DNA zealots, but DNA is the cheapest,

dễ hiểu nhất và dễ lập trình nhất.

easiest to understand and easy to program material to do this.

Khi các vật liệu khác trở nên dễ sử dụng hơn --

And as other things become easier to use --

có thể là protein -- chúng tôi sẽ thử với chúng.

maybe protein -- we'll work with those.

Nếu thành công, lập trình phân tử sẽ trông như thế nào?

If we succeed, what will molecular programming look like?

Bạn sẽ ngồi trước màn hình máy tính.

You're going to sit in front of your computer.

Bạn sẽ thiết kế thứ gì đó như chiếc điện thoại di động,

You're going to design something like a cell phone,

bằng một ngôn ngữ cấp cao, bạn sẽ mô tả chiếc di động đó.

and in a high-level language, you'll describe that cell phone.

Sau đó sẽ có một máy biên soạn

Then you're going to have a compiler

đem những mô tả đó

that's going to take that description

và biến chúng thành những phân tử thật

and it's going to turn it into actual molecules

có thể được đưa đến máy tổng hợp

that can be sent to a synthesizer

và máy tổng hợp sẽ đóng gói các phân tử này vào trong hạt giống.

and that synthesizer will pack those molecules into a seed.

Và chuyện gì sẽ xảy ra nếu bạn trồng và chăm sóc hạt giống đó,

And what happens if you water and feed that seed appropriately,

liệu nó có sẽ phát triển theo tiến trình đã tính trước

is it will do a developmental computation,

một tính toán cấp phân tử, và nó sẽ tạo nên một máy tính điện tử.

a molecular computation, and it'll build an electronic computer.

Và nếu tôi chưa nói rõ quan điểm của mình thì,

And if I haven't revealed my prejudices already,

tôi cho rằng sự sống luôn là các máy tính phân tử

I think that life has been about molecular computers

tạo nên các máy tính điện hoá,

building electrochemical computers,

tạo nên các máy tính điện tử,

building electronic computers,

mà sự kết hợp với máy tính điện hoá

which together with electrochemical computers

sẽ tạo nên máy tính phân tử mới,

will build new molecular computers,

rồi sẽ tạo nên máy tính điện tử mới, và cứ thế.

which will build new electronic computers, and so forth.

Và nếu bạn tin vào điều này,

And if you buy all of this,

và bạn nghĩ sự sống là sự lập trình, như tôi vậy,

and you think life is about computation, as I do,

thì bạn sẽ tiếp cận các câu hỏi lớn bằng đôi mắt của nhà khoa học máy tính.

then you look at big questions through the eyes of a computer scientist.

Vậy câu hỏi lớn là làm sao để đứa trẻ biết khi nào nó ngừng lớn lên?

So one big question is, how does a baby know when to stop growing?

Và cho lập trình phân tử,

And for molecular programming,

câu hỏi là làm sao để chiếc điện thoại biết khi nào ngừng phát triển?

the question is how does your cell phone know when to stop growing?

(Cười lớn)

(Laughter)

Hay làm sao chương trình máy tính biết khi nào ngừng chạy?

Or how does a computer program know when to stop running?

Hay hơn nữa, làm sao bạn biết liệu một chương trình có dừng lại?

Or more to the point, how do you know if a program will ever stop?

Còn có nhiều câu hỏi tương tự như vậy nữa.

There are other questions like this, too.

Một trong số đó là câu hỏi của Craig Venter

One of them is Craig Venter's question.

Tôi nghĩ ông ta thật sự là một nhà khoa học máy tính.

Turns out I think he's actually a computer scientist.

Ông ấy hỏi, bộ gen tối thiểu phải lớn bao nhiêu

He asked, how big is the minimal genome

để cho ta một vi sinh vật có chức năng?

that will give me a functioning microorganism?

Phải sử dụng tối thiểu chừng nào gen?

How few genes can I use?

Câu hỏi này giống hệt như,

This is exactly analogous to the question,

chương trình nhỏ nhất mà tôi có thể viết

what's the smallest program I can write

để hoạt động như Microsoft Word là gì?

that will act exactly like Microsoft Word?

(Cười lớn)

(Laughter)

Và khi nói ông ấy viết ra một vi khuẩn nhỏ hơn,

And just as he's writing, you know, bacteria that will be smaller,

ông ấy đang viết bộ gen có thể hoạt động được,

he's writing genomes that will work,

chúng ta có thể viết các chương trình nhỏ hơn

we could write smaller programs

mà hoạt động được như Microsoft Word.

that would do what Microsoft Word does.

Nhưng với lập trình phân tử, câu hỏi là,

But for molecular programming, our question is,

có bao nhiêu phân tử cần đưa vào hạt giống để tạo ra một chiếc điện thoại?

how many molecules do we need to put in that seed to get a cell phone?

Con số nhỏ nhất là bao nhiêu?

What's the smallest number we can get away with?

Hiện tại đây chính là những câu hỏi lớn với khoa học máy tính.

Now, these are big questions in computer science.

Đây là những câu hỏi phức tạp,

These are all complexity questions,

và khoa học máy tính cho thấy chúng là những câu hỏi khó.

and computer science tells us that these are very hard questions.

Hầu như - nhiều câu hỏi là bất khả thi.

Almost -- many of them are impossible.

Nhưng với một số, chúng ta có thể bắt đầu tìm ra câu trả lời.

But for some tasks, we can start to answer them.

Vậy nên tôi sẽ bắt đầu hỏi những câu hỏi

So, I'm going to start asking those questions

cho cấu trúc DNA mà tôi sắp nói tới.

for the DNA structures I'm going to talk about next.

Vậy, đây là một DNA bình thường mà bạn biết đến.

So, this is normal DNA, what you think of as normal DNA.

Nó có hai chuỗi xoắn với nhau,

It's double-stranded, it's a double helix,

và có các A, T, C, G bắt đôi để nối hai chuỗi với nhau.

has the As, Ts, Cs and Gs that pair to hold the strands together.

Và tôi sẽ vẽ như thế này,

And I'm going to draw it like this sometimes,

để không khiến bạn cảm thấy kì lạ.

just so I don't scare you.

Ta quan tâm đến từng chuỗi riêng biệt thay vì hai chuỗi xoắn.

We want to look at individual strands and not think about the double helix.

Khi ta tổng hợp, kết quả chỉ là một chuỗi,

When we synthesize it, it comes single-stranded,

và chúng ta có thể lấy chuỗi xanh dương trong một ống

so we can take the blue strand in one tube

và tạo ra chuỗi cam ở ống khác,

and make an orange strand in the other tube,

và chúng uốn éo khi ở dạng đơn chuỗi.

and they're floppy when they're single-stranded.

Khi bạn trộn chúng lại, chúng sẽ tạo nên cấu trúc hai chuỗi xoắn.

You mix them together and they make a rigid double helix.

Trong vòng 25 năm gần đây,

Now for the last 25 years,

Ned Seeman và nhiều hậu duệ của ông

Ned Seeman and a bunch of his descendants

đã làm việc cật lực và tạo ra cấu trúc 3D xinh đẹp này

have worked very hard and made beautiful three-dimensional structures

bằng phản ứng của các chuỗi DNA ghép lại với nhau.

using this kind of reaction of DNA strands coming together.

Nhưng phần lớn các phương pháp đó dù tinh tế, cũng mất nhiều thời gian.

But a lot of their approaches, though elegant, take a long time.

Chúng mất vài năm, hoặc rất khó để thiết kế.

They can take a couple of years, or it can be difficult to design.

Nên vài năm trước tôi đã tìm ra một phương pháp mới

So I came up with a new method a couple of years ago

gọi là DNA origami

I call DNA origami

dễ dàng đến mức bạn có thể thực hiện ngay tại bếp nhà bạn

that's so easy you could do it at home in your kitchen

và thiết kế món đồ từ máy tính xách tay.

and design the stuff on a laptop.

Nhưng để làm điều đó, bạn cần một chuỗi DNA đơn dài,

But to do it, you need a long, single strand of DNA,

và thực tế rất khó để có được nó.

which is technically very difficult to get.

Do đó, bạn có thể tìm trong tự nhiên.

So, you can go to a natural source.

Bạn có thể nhìn vào vật thể tạo thành từ máy tính này,

You can look in this computer-fabricated artifact,

người này có hệ gen với DNA đôi -- không tốt.

and he's got a double-stranded genome -- that's no good.

Bạn tìm trong ruột. Có hàng tỉ vi khuẩn.

You look in his intestines. There are billions of bacteria.

Cũng không tốt.

They're no good either.

Cũng chuỗi đôi, nhưng bên trong, chúng bị nhiễm virus

Double strand again, but inside them, they're infected with a virus

có bộ gen với một chuỗi đơn, dài, đẹp

that has a nice, long, single-stranded genome

mà chúng ta có thể xếp như một mảnh giấy.

that we can fold like a piece of paper.

Và đây là cách chúng tôi làm.

And here's how we do it.

Đây là một phần của bộ gen.

This is part of that genome.

Chúng tôi thêm một số đoạn DNA ngắn tổng hợp mà tôi gọi là kim dập.

We add a bunch of short, synthetic DNAs that I call staples.

Mỗi DNA ngắn có một nửa bên trái gắn với sợi dài ở một đầu phía bên kia,

Each one has a left half that binds the long strand in one place,

và nửa bên phải gắn với một đầu khác,

and a right half that binds it in a different place,

và nối chuỗi dài lại như thế này.

and brings the long strand together like this.

Kết quả của chuỗi hoạt động của nhiều phân tử này trên chuỗi dài

The net action of many of these on that long strand

là để cuộn nó lại thành hình chữ nhật.

is to fold it into something like a rectangle.

Chúng tôi thật sự không thể quay phim lại quá trình này

Now, we can't actually take a movie of this process,

nhưng Shawn Douglas tại đại học Harvard

but Shawn Douglas at Harvard

đã làm cho chúng ta một mô hình

has made a nice visualization for us

bắt đầu bằng chuối dài và một vài chuỗi ngắn trên đó.

that begins with a long strand and has some short strands in it.

Và những gì xảy ra khi chúng ta trộn những chuỗi đó lại với nhau.

And what happens is that we mix these strands together.

Chúng ta đun chúng lên, thêm một ít muối,

We heat them up, we add a little bit of salt,

chúng ta đun lên gần tới nhiệt độ sôi rồi làm nguội chúng.

we heat them up to almost boiling and cool them down,

và trong quá trình làm nguội,

and as we cool them down,

chuỗi ngắn gắn vào chuỗi dài

the short strands bind the long strands

và bắt đầu hình thành cấu trúc.

and start to form structure.

Bạn có thể thấy một ít chuỗi xoắn kép hình thành ở đây.

And you can see a little bit of double helix forming there.

Khi bạn nhìn vào DNA origami,

When you look at DNA origami,

bạn có thể thấy nó thực chất là gì,

you can see that what it really is,

mặc dù bạn nghĩ nó phức tạp,

even though you think it's complicated,

nhưng nó chính là một nhúm các hình xoắn ốc xếp song song với nhau

is a bunch of double helices that are parallel to each other,

và chúng giữ lấy nhau

and they're held together

tại vị trí các chuỗi ngắn chạy dọc chuỗi xoắn

by places where short strands go along one helix

và sau đó nhảy qua chuỗi khác.

and then jump to another one.

Vì vậy có một chuỗi đi như thế này, chạy dọc và nối một chuỗi xoắn

So there's a strand that goes like this, goes along one helix and binds --

nó nhảy qua chuỗi kép còn lại và quay trở lại.

it jumps to another helix and comes back.

Giữ cho chuối dài như thế này.

That holds the long strand like this.

Bây giờ, để cho các bạn thấy tôi có thể làm ra được bất kì hình dạng gì

Now, to show that we could make any shape or pattern

chúng ta muốn, tôi sẽ làm hình này

that we wanted, I tried to make this shape.

Tôi muốn cuộn DNA thành một hình chạy lên trên con mắt,

I wanted to fold DNA into something that goes up over the eye,

dưới cái mũi, trên cái mũi, vòng quanh trán,

down the nose, up the nose, around the forehead,

vòng xuống và kết thúc bằng cái vòng nhỏ như thế này.

back down and end in a little loop like this.

Vì lẽ đó, tôi nghĩ, nếu cái này làm được thì bất cứ cái gì cũng làm được.

And so, I thought, if this could work, anything could work.

Tôi cho máy tính thiết kế các kim dập ngắn để làm điều này.

So I had the computer program design the short staples to do this.

Tôi đặt hàng, FedEx gửi cho tôi.

I ordered them; they came by FedEx.

Tôi trộn chúng lại, đun lên rồi để nguội

I mixed them up, heated them, cooled them down,

và tôi có 50 tỉ hình mặt cười nhỏ xíu

and I got 50 billion little smiley faces

lơ lửng trong một giọt nước.

floating around in a single drop of water.

Và một trong số chúng chỉ bằng

And each one of these is just

1/1000 bề rộng của một sợi tóc con người.

one-thousandth the width of a human hair, OK?

Vậy, chúng trôi lơ lửng trong dung dịch, và để xem được chúng,

So, they're all floating around in solution, and to look at them,

bạn phải làm cho nó nổi lên bề mặt và kết chùm lại.

you have to get them on a surface where they stick.

Nên bạn đổ chúng ra trên bề mặt phẳng

So, you pour them out onto a surface

và chúng bắt đầu kết dính lại trên bề mặt đó,

and they start to stick to that surface,

rồi chúng ta chụp ảnh chúng bằng kính hiển vi lực nguyên tử.

and we take a picture using an atomic-force microscope.

Nó có một cây kim, như cây kim ghi chú,

It's got a needle, like a record needle,

chạy qua lại bề mặt đó,

that goes back and forth over the surface,

di chuyển lên xuống để cảm nhận độ cao của bề mặt đầu tiên.

bumps up and down, and feels the height of the first surface.

Nó cảm nhận DNA origami.

It feels the DNA origami.

Có một kính hiển vi điện tử làm việc

There's the atomic-force microscope working

và bạn có thể thấy bề mặt của chúng hơi gồ ghề.

and you can see that the landing's a little rough.

Khi bạn phóng to lên,

When you zoom in, they've got, you know,

chúng có vài hàm yếu vắt qua đầu chúng,

weak jaws that flip over their heads

và một vài cái mũi bị vỡ ra, nhưng nhìn chung đều rất tốt.

and some of their noses get punched out, but it's pretty good.

Bạn có thể phóng to và nhìn được cái vòng nhỏ đó,

You can zoom in and even see the extra little loop,

cái chòm râu dê siêu nhỏ này.

this little nano-goatee.

Bây giờ, điều tuyệt vời là ai cũng có thể làm được việc này.

Now, what's great about this is anybody can do this.

Vậy nên, tôi nhận được cái này qua thư một năm sau khi tôi làm ra nó, không hứng thú cho lắm.

And so, I got this in the mail about a year after I did this, unsolicited.

Có ai biết cái này là gì không? Nó là gì?

Anyone know what this is? What is it?

Trung Quốc phải không?

It's China, right?

Vậy nên, chuyện đã xảy ra là, một sinh viên cao học ở Trung Quốc

So, what happened is, a graduate student in China,

Lulu Qian, làm một việc rất tốt.

Lulu Qian, did a great job.

Cô ấy viết toàn bộ phần mềm

She wrote all her own software

để thiết kế và xây dựng DNA origami này,

to design and built this DNA origami,

một tác phẩm tuyệt vời từ Trung Quốc, có cả Đài Loan nữa,

a beautiful rendition of China, which even has Taiwan,

và bạn có thể thấy nó đến từ nơi ít được kiểm soát nhất trên thế giới, đúng không?

and you can see it's sort of on the world's shortest leash, right?

(Cười lớn)

(Laughter)

Do đó, nó chạy rất tốt,

So, this works really well

và bạn có thể làm ra mọi hình dạng và hoa văn.

and you can make patterns as well as shapes, OK?

Bạn có thể làm được bản đồ nước Mỹ và đánh vần DNA bằng DNA

And you can make a map of the Americas and spell DNA with DNA.

Và điều khéo léo ở đây là,

And what's really neat about it --

nó thực sự là một tuyệt tác của công nghệ nano

well, actually, this all looks like nano-artwork,

nhưng tuyệt tác đó

but it turns out that nano-artwork

lại là thứ bạn cần để làm ra mạch điện nano.

is just what you need to make nano-circuits.

Do đó, bạn có thể đặt các phần của mạch điện vào khuôn,

So, you can put circuit components on the staples,

như bóng đèn và công tắc.

like a light bulb and a light switch.

Để cho nó tự lắp ráp và bạn sẽ có một kiểu mạch điện.

Let the thing assemble, and you'll get some kind of a circuit.

Và bạn có thể rửa trôi DNA đi, để lại mỗi mạch điện thôi.

And then you can maybe wash the DNA away and have the circuit left over.

Đây là thứ mà đồng nghiệp của tôi ở Caltech làm.

So, this is what some colleagues of mine at Caltech did.

Họ lấy DNA origami, sắp xếp thêm ống carbon nano

They took a DNA origami, organized some carbon nano-tubes,

làm một công tắc nhỏ, bạn thấy ở đây, nối dây lại,

made a little switch, you see here, wired it up,

kiểm tra và chắc rằng nó là một công tắc.

tested it and showed that it is indeed a switch.

Bây giờ, nó chỉ là một công tắc đơn,

Now, this is just a single switch

và bạn cần cỡ nửa tỉ cái cho một máy tính, nên chúng ta cần phải làm rất nhiều.

and you need half a billion for a computer, so we have a long way to go.

Nhưng nó rất triển vọng

But this is very promising

bởi vì origami có thể sắp xếp những phần chỉ cỡ 1/10 kích thước

because the origami can organize parts just one-tenth the size

của chúng trong một máy tính bình thường

of those in a normal computer.

Cho nên nó rất triển vọng trong việc tạo ra những máy tính nhỏ.

So it's very promising for making small computers.

Bây giờ, tôi muốn quay lại với máy biên dịch

Now, I want to get back to that compiler.

DNA origami là bằng chứng cho thấy máy biên dịch thật sự hoạt động.

The DNA origami is a proof that that compiler actually works.

Bạn bắt đầu bằng thứ gì đó trong máy tính.

So, you start with something in the computer.

Bạn đang có một mô tả cấp cao của chương trình máy tính,

You get a high-level description of the computer program,

bản mô tả cấp cao của cái origami này.

a high-level description of the origami.

Bạn có thể biên dịch nó thành các phân tử, gửi tới máy tổng hợp,

You can compile it to molecules, send it to a synthesizer,

và nó đã có thể hoạt động.

and it actually works.

Hóa ra có một công ty làm ra phần mềm này

And it turns out that a company has made a nice program

tốt hơn những câu lệnh xấu xí của tôi

that's much better than my code, which was kind of ugly,

sẽ cho phép chúng ta làm ra nó

and will allow us to do this in a nice,

theo một cách đẹp, dễ nhìn, và được máy tính bổ trợ.

visual, computer-aided design way.

Bây giờ bạn có thể hỏi rằng

So, now you can say, all right,

tại sao DNA origami không là đoạn kết câu chuyện?

why isn't DNA origami the end of the story?

Bạn có máy biên dịch phân tử, bạn có thể làm được bất cứ thứ gì bạn muốn

You have your molecular compiler, you can do whatever you want.

Thực tế nó không được dùng như vậy.

The fact is that it does not scale.

Nếu bạn muốn tạo ra một con người từ DNA origami,

So if you want to build a human from DNA origami,

bạn sẽ cần một chuỗi rất dài,

the problem is, you need a long strand

10 triệu tỷ tỷ base.

that's 10 trillion trillion bases long.

Nó sẽ là đoạn DNA dài 3 năm ánh sáng,

That's three light years' worth of DNA,

nên chúng ta sẽ không làm điều đó.

so we're not going to do this.

Chúng ta sẽ chuyển sang công nghệ khác,

We're going to turn to another technology,

gọi là thuật toán tự dịch mã của viên gạch

called algorithmic self-assembly of tiles.

Nó được khởi xướng bởi Erik Winfree,

It was started by Erik Winfree,

và những gì nó làm là,

and what it does,

tạo ra các viên gạch chỉ bằng 1/100 lần kích cỡ của DNA origami.

it has tiles that are a hundredth the size of a DNA origami.

Bạn phóng to nó lên, bạn chỉ thấy bốn sợi DNA

You zoom in, there are just four DNA strands

và chúng có những sợi đơn nhỏ hơn bện vào

and they have little single-stranded bits on them

để kết nối với những viên khác, nếu trùng khớp.

that can bind to other tiles, if they match.

Và chúng ta sẽ vẽ những viên gạch này như những hình vuông nhỏ.

And we like to draw these tiles as little squares.

Nếu như bạn nhìn vào đuôi của các đoạn DNA nhỏ này,

And if you look at their sticky ends, these little DNA bits,

bạn có thể thấy chúng thực sự tạo thành hoa văn bàn cờ.

you can see that they actually form a checkerboard pattern.

Vậy nên, những viên gạch này làm nên một bàn cờ tự ráp phức tạp.

So, these tiles would make a complicated, self-assembling checkerboard.

Và cái chính ở đây là, nếu bạn không hiểu được,

And the point of this, if you didn't catch that,

những viên gạch đó là một dạng lập trình phân tử

is that tiles are a kind of molecular program

và nó có thể cho ra một hoa văn nhất định.

and they can output patterns.

Và phần thú vị của nó ở đây là

And a really amazing part of this is

mọi chương trình máy tính đều có thể được dịch ra thành

that any computer program can be translated

một trong các chương trình viên gạch này, đặc biệt là việc tính toán.

into one of these tile programs -- specifically, counting.

Nên bạn có thể nghĩ ra một tập hợp các viên gạch

So, you can come up with a set of tiles

mà khi kết nối với nhau, tạo ra một bộ đếm nhị phân nhỏ

that when they come together, form a little binary counter

hơn là một bàn cờ.

rather than a checkerboard.

Do đó bạn có thể đọc được số nhị phân của năm, sáu, và bảy.

So you can read off binary numbers five, six and seven.

Và muốn phép toán này đúng ngay từ lúc khởi đầu,

And in order to get these kinds of computations started right,

bạn cần một đầu vào, một kiểu hạt giống.

you need some kind of input, a kind of seed.

Bạn có thể dùng DNA origami làm hạt giống.

You can use DNA origami for that.

Bạn có thể mã hóa con số 32

You can encode the number 32

vào phía bên phải của DNA origami,

in the right-hand side of a DNA origami,

và khi bạn thêm những viên gạch vào bộ đếm

and when you add those tiles that count,

nó sẽ bắt đầu đếm, nó sẽ đọc 32 con số

they will start to count -- they will read that 32

và sẽ dừng ở 32.

and they'll stop at 32.

Vậy nên điều chúng tôi đã làm là tìm ra

So, what we've done is we've figured out a way

một chương trình phân tử biết chỗ nào phải dừng.

to have a molecular program know when to stop going.

Nó biết lúc nào cần dừng phát triển vì nó có thể đếm được.

It knows when to stop growing because it can count.

Nó biết nó đã lớn được bao nhiêu.

It knows how big it is.

Vậy nên nó đã trả lời được câu hỏi đầu tiên tôi nêu ra.

So, that answers that sort of first question I was talking about.

Nhưng nó vẫn chưa trả lời được liệu em bé có thể làm được việc đó không.

It doesn't tell us how babies do it, however.

Vậy bây giờ chúng ta sẽ dùng cách đếm này

So now, we can use this counting to try and get at much bigger things

và cố gắng áp đặt cho những vật lớn hơn DNA origami có thể làm.

than DNA origami could otherwise.

Đây là DNA origami, và điều ta có thể làm là

Here's the DNA origami, and what we can do

viết 32 con số lên hai cạnh của nó,

is we can write 32 on both edges of the DNA origami,

và ta có thể dùng cái bình tưới cây

and we can now use our watering can

thêm vào đó những viên gạch, và bắt đầu trồng những viên gạch

and water with tiles, and we can start growing tiles off of that

và tạo ra một ô vuông.

and create a square.

Bộ đếm hoạt động như một bộ khuôn

The counter serves as a template

để làm đầy ô vuông ở chính giữa của nó.

to fill in a square in the middle of this thing.

Do đó, chúng ta đã thành công

So, what we've done is we've succeeded

trong việc làm ra thứ gì đó lớn hơn nhiều so với DNA origami

in making something much bigger than a DNA origami

bằng cách kết hợp DNA origami với các viên gạch.

by combining DNA origami with tiles.

Và điều dễ dàng ở đây là chúng có thể được tái lập trình.

And the neat thing about it is, is that it's also reprogrammable.

Bạn có thể chỉ thay đổi vài sợi DNA trong chuỗi nhị phân này

You can just change a couple of the DNA strands in this binary representation

và bạn sẽ có 96 con số thay vì 32.

and you'll get 96 rather than 32.

Nếu như bạn làm như vậy, khối origami vẫn giữ nguyên kích thước,

And if you do that, the origami's the same size,

nhưng kết quả bạn sẽ nhận được khối vuông lớn gấp ba lần khối ban đầu.

but the resulting square that you get is three times bigger.

Tóm lại, điều tôi muốn nói ở đây

So, this sort of recapitulates

là sự phát triển.

what I was telling you about development.

Bạn có một chương trình máy tính rất nhạy cảm

You have a very sensitive computer program

khi mà mọi thay đổi nhỏ -- những đột biến lẻ, rất nhỏ thôi --

where small changes -- single, tiny, little mutations --

có thể thay đổi một khối vuông với kích cỡ đầu

can take something that made one size square

và tạo ra thứ lớn hơn nhiều lần.

and make something very much bigger.

Bây giờ, sử dụng kiểu đếm này để tính toán

Now, this -- using counting to compute

và xây dựng nên những thứ này

and build these kinds of things

bằng cách phát triển đã nói trên

by this kind of developmental process

phần nào đã trả lời được câu hỏi của Craig Venter.

is something that also has bearing on Craig Venter's question.

Do đó, bạn có thể hỏi cần bao nhiêu sợi DNA

So, you can ask, how many DNA strands are required

để làm ra khối vuông với kích thước định sẵn?

to build a square of a given size?

Nếu ta muốn khối vuông đó có kích thước cỡ 10, 100 hay 1000

If we wanted to make a square of size 10, 100 or 1,000,

Nếu chỉ sử dụng DNA origami,

if we used DNA origami alone,

ta sẽ cần một lượng sợi DNA vừa với

we would require a number of DNA strands that's the square

kích cỡ của khối vuông;

of the size of that square;

vậy là 100, 10 000, thậm chí cả triệu sợi DNA.

so we'd need 100, 10,000 or a million DNA strands.

Điều đó nằm ngoài khả năng của ta.

That's really not affordable.

Nhưng nếu như ta sử dụng một ít tính toán ở đây

But if we use a little computation --

dùng origami, cộng thêm vài viên gạch có thể đếm được,

we use origami, plus some tiles that count --

chúng ta sẽ chỉ cần dùng 100, 200 hoặc 300 sợi DNA.

then we can get away with using 100, 200 or 300 DNA strands.

Có thể thấy, ta có thể giảm theo hàm số mũ số lượng sợi DNA ta cần dùng,

And so we can exponentially reduce the number of DNA strands we use,

nếu ta sử dụng cách tính trên và một vài tính toán nho nhỏ.

if we use counting, if we use a little bit of computation.

Vì vậy việc tính toán có sức mạnh lớn

And so computation is some very powerful way

trong việc giảm số phân tử bạn cần để tạo ra thứ gì đó,

to reduce the number of molecules you need to build something,

giảm kích thước bộ gen bạn đang xây dựng.

to reduce the size of the genome that you're building.

Cuối cùng, tôi sẽ quay lại với cái ý tưởng điên rồ ban đầu

And finally, I'm going to get back to that sort of crazy idea

về việc máy tính tạo ra máy tính.

about computers building computers.

Nếu như bạn nhìn vào khối vuông bạn tạo ra bằng origami

If you look at the square that you build with the origami

và một vài bộ đếm lớn lên từ đó,

and some counters growing off it,

hoa văn của nó chính là hoa văn bạn cần

the pattern that it has is exactly the pattern that you need

để tạo nên bộ nhớ.

to make a memory.

Vậy nên nếu bạn thêm vài sợi dây nối và chuyển vào các viên gạch

So if you affix some wires and switches to those tiles --

thay vì vào các sợi DNA kim dập

rather than to the staple strands, you affix them to the tiles --

chúng sẽ tự lắp ráp thành những mạch điện phức tạp,

then they'll self-assemble the somewhat complicated circuits,

mạch phân giải tín hiệu, mà bạn cần thêm vào bộ nhớ này.

the demultiplexer circuits, that you need to address this memory.

Do đó bạn có thể tự làm ra một mạch điện phức tạp

So you can actually make a complicated circuit

sử dụng một chút tính toán.

using a little bit of computation.

Đó chính là máy tính phân tử xây dựng máy tính điện tử.

It's a molecular computer building an electronic computer.

Bây giờ, bạn hỏi chúng tôi đã đi theo hướng này được bao lâu rồi?

Now, you ask me, how far have we gotten down this path?

Về mặt thực nghiệm, đây là những gì chúng tôi đã làm trong suốt năm qua.

Experimentally, this is what we've done in the last year.

Đây là một DNA origami hình tam giác,

Here is a DNA origami rectangle,

và đây là những viên gạch bên trong nó.

and here are some tiles growing from it.

Và bạn có thể thấy cách nó đếm như thế nào

And you can see how they count.

1, 2, 3 ,4 ,5 ,6, 9, 10, 11, 12, 17.

One, two, three, four, five, six, nine, 10, 11, 12, 17.

Nó có sai sót tí, nhưng ít ra nó vẫn đếm lên

So it's got some errors, but at least it counts up.

(Cười lớn)

(Laughter)

Thật ra chúng tôi đã có ý tưởng này từ chín năm trước rồi,

So, it turns out we actually had this idea nine years ago,

và đó là khoảng thời gian cần thiết để có thể

and that's about the time constant for how long it takes

làm ra được thứ như vầy, nên tôi nghĩ rằng chúng tôi đã làm được kha khá thứ.

to do these kinds of things, so I think we made a lot of progress.

Chúng tôi cũng lên ý tưởng sửa chữa các lỗi này.

We've got ideas about how to fix these errors.

Và tôi nghĩ trong 5 năm hay 10 năm nữa,

And I think in the next five or 10 years,

tôi sẽ làm được những khối vuông kiểu này

we'll make the kind of squares that I described

và có thể làm ra được những mạch điện tự ráp khác nữa.

and maybe even get to some of those self-assembled circuits.

Vì thế, tôi muốn bạn rút ra được kết luận gì sau bài nói này?

So now, what do I want you to take away from this talk?

Tôi muốn bạn nhớ rằng

I want you to remember that

để tạo nên sự sống phong phú và phức tạp như bây giờ,

to create life's very diverse and complex forms,

cuộc sống cần tính toán để làm được điều đó.

life uses computation to do that.

Và việc tính toán đó dựa trên lập trình phân tử

And the computations that it uses, they're molecular computations,

và để có thể hiểu được điều này và sử dụng nó tốt hơn,

and in order to understand this and get a better handle on it,

như Feynnan từng nói,

as Feynman said, you know,

chúng ta cần xây dựng thứ gì đó để hiểu về nó.

we need to build something to understand it.

Vậy nên ta sẽ sử dụng phân tử và tái lập trình lại thứ này,

And so we are going to use molecules and refashion this thing,

xây dựng mọi thứ lại từ đầu,

rebuild everything from the bottom up,

sử dụng DNA theo cách tự nhiên chưa bao giờ dùng,

using DNA in ways that nature never intended,

sử dụng DNA origami,

using DNA origami,

và DNA origami để ươm mầm nên thuật toán tự ráp này.

and DNA origami to seed this algorithmic self-assembly.

Bạn biết đó, tất cả điều này rất hay,

You know, so this is all very cool,

nhưng thứ tôi muốn bạn mang về sau buổi nói chuyện này,

but what I'd like you to take from the talk,

từ một vài câu hỏi lớn,

hopefully from some of those big questions,

là lập trình phân tử này không phải chỉ về tạo ra đồ vật.

is that this molecular programming isn't just about making gadgets.

Nó không phải chỉ tạo ra ----

It's not just making about --

nó tạo ra điện thoại và mạch điện tự ráp.

it's making self-assembled cell phones and circuits.

Điều trọng tâm của nó là đem khoa học máy tính

What it's really about is taking computer science

và nhìn vào các câu hỏi lớn dưới góc nhìn khác,

and looking at big questions in a new light,

thêm vào vài phiên bản khác của các câu hỏi này

asking new versions of those big questions

và cố gắng hiểu được làm cách nào sinh học

and trying to understand how biology

có thể làm được những điều phi thường. Cảm ơn.

can make such amazing things. Thank you.

(Vỗ tay)

(Applause)