کریگ ونتر در آستانه ی ایجاد حیات مصنوعی

می دانید، من قبلا در مورد بعضی از این پروژه ها صحبت کردم، در مورد پروژه ی ژنوم انسان و اینکه چه معنی ای می تواند بدهد، و پیدا کردن سری های جدیدی از ژن ها. در واقع داریم از یک نقطه ی جدید شروع به کار می کنیم: ما زیست شناسی را ارقامی (دیجیتالی) کرده ایم, و داریم سعی می کنیم که از آن ارقام و کدهای دیجیتالی وارد فاز جدیدی از زیست بشویم، با طراحی کردن و ساختن حیات.
پس، همیشه سعی کرده ایم سوال های بزرگ بپرسیم. "حیات چیست؟" چیزی كه من فکر می کنم همه ی زیست شناسها سعی کرده اند در سطح های مختلف بفهمند. روش های مختلفی را امتحان کردیم، تا به حداقل اجزای تشکیل دهنده اش برسانیم. تقریبا ۲۰ سالی می شود كه داریم این را دیجیتالی می کنیم. وقتی توالی ژنوم انسان را مشخص کردیم، دنیای آنالوگ زیست شناسی وارد دنیای دیجیتال کامپیوتر شد. حالا داریم این سوال را می پرسیم كه آیا می توانیم حیات را دوباره بسازیم، یا اینکه یک حیات جدید را از این دنیای دیجیتال خلق کنیم؟
این نقشه ی یک موجود زنده ی کوچک هست، میکوپلاسما جنتیلیوم (Mycoplasma genitalium)، كه کوچک ترین ژنوم را بین گونه ها دارد و می تواند در محیط آزمایشگاه تولید مثل کند. و داریم سعی می کنیم تا ببینم كه آیا می توانیم به ژنوم حتی کوچکتری دست پیدا کنیم. می توانیم در حدود صد تا ژن از بین ۵۰۰ ژن و یا بیشتر که اینجا هستند را حذف کنیم،. اما وقتی به نقشه ی سوخت و سازش (متابولیکش) نگاه می کنیم، در مقایسه با ما نسبتا ساده است. به من اعتماد کنید، ساده است. اما وقتی به تمامی ژن هایی كه می توانیم یکی یکی حذف کنیم نگاه می کنیم، خیلی غیر ممکن به نظر می رسد كه حاصل این بتواند یک سلول زنده باشد. پس، تصمیم گرفتیم كه تنها راه به سمت جلو این است كه این کروموزوم را واقعا بسازیم که بتوانیم برای پرسیدن بعضی سوال های اساسی اجزا را تغییر بدهیم. و در نتیجه از ابتدای مسیری شروع کردیم كه "آیا می توانیم یک کروموزوم بسازیم؟" آیا شیمی واقعا اجازه ی ساختن این مولکول های بزرگ را می دهد جایی كه هیچ وقت تا حالا نبودیم؟ و اگر بشود، آیا می توانیم یک کروموزوم را راه اندازی کنیم؟ یک کروموزوم، به هر حال، فقط تکه ای از مواد شیمیای فاقد حیات هست. پس، گام هایمان برای دیجیتالی کردن حیات با یک سرعت نمایی رو به افزایش بوده.
توانایی ما برای نوشتن کدهای ژنتیکی با سرعت خیلی آرامی حرکت کرده است، اما در حال افزایش بوده. و جدیدترین نقطه ما آن را روی منحنی نمایی قرار می دهد. این کار را بیشتر از ۱۵ سال پبش شروع کردیم. در حقیقت، مراحل متعددی را شامل شد، که شروعش بازبینی بیواخلاقی کار قبل از انجام دادن اولین آزمایش هایمان بود. اما این مشخص می کند كه ساختن DNA واقعا سخت است. ده ها هزار ماشین در دنیا وجود دارد كه می توانند تکه های کوچک DNA را بسازند، با طول بین ۳۰ تا ۵۰ تا حرف، و این یک فرایند تخریبی است، در نتیجه هرچقدر یک تکه را بلندتر بسازی، خطاهای بیشتری وجود دارد. پس مجبور شدیم یک روش جدید بسازیم برای کنار هم گذاشتن این تکه های کوچک و درست کردن خطاها.
و این اولین تلاش ما بود با استفاده از اطلاعات دیجیتالی ژنوم Phi X 174. یک ویروس کوچک است که باکتری ها را می کشد. تکه ها را طراحی کردیم، از روش تصحیح خطای خودمان رد کردیم، و مولکول DNA ای در حدود ۵۰۰۰ حرف داشتیم. قسمت هیجان انگیزش آنجا بود که این تکه ماده بی جان را برداشتیم و داخل باکتری گذاشتیم، و باکتری شروع به خواندن کدهای ژنتیکی کرد، و قطعات ویروسی را ساخت، ویروس هایی که از سلول ها خارج شدند، بعد برگشتند و سلول های E. coli را کشتند. اخیرا با یک شرکت نفتی صحبت می کردم، و گفتم آنها به وضوح آن مدل را درک کردند.
(خنده)
آنها از شماها بیشتر خندیدند.
و بنابرین فکر می کنیم اینجا جایی است که که نرم افزار می تواند در حقیقت سخت افزار خاص خودش را در یک سیستم بیولوژیک بسازد. اما می خواستیم فراتر از این برویم. می خواستیم کل کروموزوم باکتریایی را بسازیم. آن بیشتر از ۵۸۰۰۰۰ حرف از کدهای ژنتیکی هست. در نتیجه فکر کردیم که آنها را در کاست هایی به اندازه ی ویروس ها بسازیم، درحقیقت می توانستیم کاست ها را تغییر بدهیم تا بفهمیم که اجزای سازنده ی حقیقی یک سلول زنده چه چیزهایی هستند. طراحی حیاتی هست، و اگر دارید با اطلاعات دیجیتال در کامپوتر شروع می کنید، آن اطلاعات دیجیتالی باید خیلی دقیق باشد. وقتی که اولین بار این ژنوم را در سال ۱۹۹۵ تعیین توالی کردیم، دقت استاندارد یک در ۱۰۰۰۰ جفت بود، در حقیقت با تعیین توالی مجدد ۳۰ خطا پیدا کردیم. اگر از توالی اولیه استفاده کرده بودیم، هرگز قادر به راه اندازی نمی بود. بخشی از طراحی، طراحی قطعاتی است که طول آنها ۵۰ حرف است و باید با تمامی قطعات ۵۰ حرفی دیگر برای ساختن واحدهای کوچک تر وجه اشتراک داشته باشند. مجبور هستیم این جوری طراحی کنیم که با هم دیگر موافق باشند. عناصری منحصر به فرد را در آن طراحی کردیم.
ممکن است در مورد علائمی که در آن قرار داده ایم خوانده باشید. به این فکر کنید: چهار تا حرف برای کد های ژنتیکی داریم: G ,C ,A و T. ترکیبات سه تایی این حروف -- حروفی که حدود تقریبا ۲۰ اسید آمینه می سازند -- که هر کدام از این اسید آمینه ها جداگانه با یک حرف نامگذاری می شوند. پس به این صورت می توانیم برای نوشتن کلمات، جملات و فکرهایمان از این کدهای ژنتیکی استفاده کنیم. با رونویسی کردن آن شروع به کار کردیم. بعضی ها از اینکه شعری در کار نبود ناامید شدند. این تکه ها را طوری طراحی کردیم که هر وقت خواستیم می توانستیم با آنزیم آنها را تکه تکه کنیم. و آنزیم هایی هم هستند که می توانند آنها را تعمیر کنند و کنار هم بگذارند. و شروع به ساختن تکه ها کردیم، با تکه هایی بین ۵ تا ۷۰۰۰ حرف شروع کردیم، تا کنار هم قرار دهیم و تکه های ۲۴۰۰۰ حرفی بسازیم، بعد آنها را کنار هم چیدیم تا به ۷۲۰۰۰ رسیدیم.
در هر قسمت از کار، تعداد زیادی از هر تکه را ساختیم پس می توانستیم توالی آنها را پیدا کنیم چون داریم سعی می کنیم فرآیندی را به وجود بیاوریم که بسیار قوی است -- که می توانید تا یک دقیقه دیگر ببینید. داریم سعی می کنیم به جایی که سیستم خودکار می شود برسیم. از این رو یک جورایی شبیه مسابقات حذفي بسکتبال هست. وقتی به این تکه های بزرگ می رسیم -- بیشتر از ۱۰۰۰۰۰ جفت -- دیگر به آسانی در ای - کلای (E. coli) رشد نمی کنند. این تمامی ابزارهای مدرن زیست شناسی مولکولی را غیر قابل استفاده می کند. و در نتیجه روی به سوی مکانیزم های دیگر آوردیم. می دانستیم مکانیزمی به نام ترکیبات همولوگوس وجود دارد، که به صورت طبیعی برای تعمیر DNA استفاده می شود، و قادر است تکه ها را کنار هم بگذارد. اینجا یک نمونه از این هست. یک موجودی به نام دنیوکوکوس ردیودرانس (Deinococcus radiodurans) وجود دارد که می تواند ۳ میلیون راد (واحد اندازه گیری تشعشع) را بگیرد.
می توانید در قسمت بالا ببینید، کروموزومش از هم جدا شده است. ۱۲ تا ۲۴ ساعت بعد، این ها را دقیقا همان جوری که در ابتدا بودند در کنار هم می گذارد. هزاران موجوده زنده وجود دارند که می توانند این کار را انجام بدهند. این موجودات می توانند کاملا خشک بشوند. می توانند در خلا زنده بمانند. کاملا مطمئنم که حیات می تواند در فضای خارج وجود داشته باشد، به این طرف و اون طرف حرکت بکند، محیط آبی پیدا کنند. در حقیقت، ناسا کلی از این چیزها که آنجا هستند را نشان داده.
این یک عکس میکروسکوپی واقعی است از مولکولی که به این روش ساختیم -- در حقیقت فقط از مکانیزم مخمر (Yeast) -- با طراحی دقیق از تکه هایی که درونش گذاشتیم. مخمر آنها را به صورت اتوماتیک کنار هم قرار می دهد . این یک تصویر میکروسکوپ الکترونی نیست؛ این فقط یک تصویر معمولی با میکروسکوپ نوری هست. یک مولکول خیلی بزرگ است، که می توانیم آن را با میکروسکوپ نوری ببینیم. اینها تصویرهایی تقریبا بیشتر از شش ثانیه هستند.
خوب این مقاله ای است که چند وقت پیش داشتیم. که این بالای ۵۸۰،۰۰۰ کد ژنتیکی هست. این بزرگ ترین مولکولی هست که بشر تا کنون ساخته و دارای ساختار مشخصی هست. بیشتر از ۳۰۰ میلیون وزن مولکولی دارد. اگر با سایز خطی ۱۰ بدون فاصله آن را چاپ کنیم، ۱۴۲ صفحه جا می گیرد که فقط کد ژنتیکی را چاپ کنیم. بسیار خوب، چطوری می توانیم یک کروموزوم را راه اندازی کنیم؟ چه جوری فعالش کنیم؟ مسلما، به وسلیه ی یک ویروس خیلی ساده است. سر و کار داشتن با یک باکتری خیلی پیچیده تر هست. بعلاوه اینکه این راحت تر هم می شود وقتی بروید داخل یوکاریوت هایی مثله خودمان: فقط می توانید هسته را خارج کنید و یکی دیگر به جایش بگذارید، و این همه ی چیزی هست که در مورد شبیه سازی می شنوید. در باکتری آرکیا (Archaea)، کروموزوم داخل سلول ادغام می شود، اما اخیرا نشان دادیم که می توانیم کاملا یک کروموزوم را از یک سلول به سلول دیگر انتقال بدهیم و فعالش کنیم. یک کروموزوم را از یک گونه باکتری تفکیک کردیم. حدودا، این دو تا به همان اندازه انسان و موش از هم جدا هستند. چند تایی ژن اضافه کردیم که بتوانیم این کروموزوم را جدا کنیم. برای از بین بردن پروتئین ها با آنزیم هایی تجزیه اش کردیم. و این کاملا حیرت آور بود وقتی این را وارد سلول کردیم -- و شما طرح های خیلی پیشرفته ما را اینجا تحسین خواهید کرد -- کروموزوم جدید وارد سلول شد. در حقیقت، فکرکردیم این ممکن است آخرین جایی باشد که می تواند برود، اما سعی کردیم این فرآیند را یک کم جلوتر طراحی کنیم.
این الان اصلی ترین مکانیزم تکامل است. همه جور گونه ای را یافته ایم که می توانند دومین کروموزوم و یا سومین را از یک جای دیگر وارد خود کنند، که هزاران صفت و ویژگی جدید را در یک آن به ابن گونه ها اضافه می کند. پس آنهایی که فکر می کنند تکامل یعنی تنها تغییر یک ژن در آن واحد کلی از زیست شناسی را از دست داده اند.
آنزیم هایی به نام آنزیم های محدود کننده (Restriction) وجود دارند که در حقیقت مولکول DNA را تجزیه می کنند. کروموزومی که داخل سلول بود این را ندارد (آنزیم محدود کننده). سلولی که -- کروموزومی را که واردش می کنیم -- دارد. ژن آنزیم بیان شد، و کروموزوم دیگر را به عنوان ماده ی خارجی شناخت، آن را تکه تکه شون کرد و ما ماندیم با سلولی که فقط کروموزوم جدید را دارد. رنگش آبی شد به خاطر ژن هایی که واردش کردیم. و در یک زمان خیلی کوتاه، تمامی ویژگی های یکی از گونه ها از بین رفت، و کاملا به گونه ای جدید تبدیل شد، بر طبق نرم افزار جدیدی که وارد سلول کردیم. تمامی پروتئین ها تغییر کردند، غشاء های پلاسمایی تغیر کردند -- وقتی که کدهای ژنتیکی را می خوانیم، دقیقا آن چیزی هست که ما انتقال داده بودیم.
این ممکن است یک جورایی شبیه کیمیاگری ژنتیکی به نظر برسد، اما می توانیم، با این ور و آن ور بردن نرم افزار DNA، چیزها را به طریق کاملا چشمگیری تغییر بدهیم. حالا، استدلال من این است که این پیدایش نیست -- این ساختنی هست بر روی سه و نیم میلیارد سال تکامل، و بحث می کنم که ما شاید در آستانه تولید نسخه ی جدیدی از انفجار کامبرین هستیم جایی که یک عالم گونه زایی جدید بر اساس این طراحی دیجیتالی وجود دارد.
چرا این کار را می کنیم؟ فکر می کنم این کاملا مشخص هست از نظر بعضی از نیازها. ما در آستانه رفتن از شش و نیم میلیارد نفر به ۹ میلیارد در ۴۰ سال آینده هستیم. برای اینکه برای خودم مفهوم پیدا کند من ۱۹۴۶ به دنیا آمدم. در حال حاضر سه نفر روی کره زمین جود دارند به ازای هر کدام از ما که سال ۱۹۴۶ وجود داشتیم؛ در ۴۰ سال، ۴ نفر خواهند شد. ما مشکل داریم بابت تغذیه، تهیه آب سالم و تمیز، دارو و سوخت برای این شش و نیم میلیارد. باید بسط داده بشود برای ۹ تا (۹ میلیارد نفر). بیش از ۵ میلیارد تن زغال سنگ استفاده می کنیم، بیشتر از ۳۰ میلیارد بشکه نفت. این تقریبا روزی ۱۰۰ میلیون بشکه هست. وقتی سعی می کنیم درمورد فرآیندهای زیستی فکر کنیم یا هر فرآیندی که بتوانیم با آن جا به جایش کنیم، به یک چالش بزرگ تبدیل می شود. بعد هم که البته تمامی CO2 های این مواد به جو (اتمسفر) ختم می شود.
حالا بابت تمامی اکتشافاتمان از سراسر دنیا، یک پایگاه داده ای در حدود ۲۰ میلیون ژن داریم، و دوست دارم اینها را به عنوان اجزای طرح های آینده بدانم. صنعت الکترونیک تنها فقط یک جین و یا بیشتر اجزا داشته، و نگاه کنید به تنوعی که از آن حاصل شده. اینجا ما اساسا به حقایق زیست شناسی و تخیلمان محدودیم. الان تکنیک هایی را داریم، به خاطر این روش های سنتز سریع (ساختن DNA)، که کاری را انجام بدهیم که ژنومیک ترکیبی می خوانیمش. ما الان توانایی ساختن روبات بزرگی را که بتواند روزانه یک میلیون کروموزوم بسازد را داریم. وقتی به پردازش این ۲۰ میلیون ژن متفاوت فکر می کنید، و یا وقتی که سعی می کنید فرآیندهای ساختن اکتان و یا تولید دارو، یا واکسن جدید را بهینه سازی کنید، می توانیم تغییر بدهیم، تنها فقط با یک تیم کوچک، زیست شناسی مولکولی بیشتری را نسبت به ۲۰ سال اخیر تمامی علوم انجام بدهیم. و این تنها یک گزینش استاندارد هست. می توانیم برای بقا، تولید مواد شیمیایی و سوختی، تولید واکسن، و غیره گزینش کنیم.
این یک عکس از یک نرم افزار طراحی واقعی ای هست که داریم روی آن کار می کنیم تا در حقیقت بتوانیم بشینیم و گونه ها را در کامپوتر طراحی کنیم. می دانید، لزوما نمی دانیم این چه شکلی خواهد شد. دقیقا می دانیم که کدهای ژنتیکی اش چه جوری اند. در حال حاضر تمرکزمان روی سوخت های نسل چهارم هست. اخیرا تبدیل ذرت به اتانول (الکل) را دیده اید این تنها فقط یک آزمایش بد هست. سوخت های نسل دوم و سوم داریم که به زودی بیرون می آیند که شکر هستند و به سوخت هایی با ارزش بالایی تبدیل می شوند مثل اکتان و یا شکل های مختلف بوتانول.
اما تنها راهی که فکر می کنیم زیست شناسی می تواند تأثیر عمده ای داشته باشد بدون افزایش بیشتر هزینه های غذا و محدود کردن دسترسی به آن این است که از CO2 به عنوان مواد اولیه استفاده کنیم، و بنابراین داریم سلول هایی طراحی می کنیم که این مسیر را طی کنند، و فکر می کنیم که اولین سوخت های نسل چهارم را در حدود ۱۸ ماه خواهیم داشت. نور خورشید و CO2 یکی از روش هاست -- (تشویق) -- اما در کشفیاتمان از دور دنیا یک عالم روش های دیگر هم داریم.
این موجودی هست که سال ۱۹۹۶ توصیفش کردیم. در اعماق اقیانوس زندگی می کند، حدود عمق یک و نیم مایلی، تقریبا در دماهای آب جوش. CO2 را به متان تبدیل می کند با استفاده از هیدروژن مولکولی به عنوان منبع انرژی. دنبال این هستیم که ببینیم می توانیم CO2 را بگیریم که به راحتی هم می شود آن را به جایگاهها پمپ کرد، و به سوخت تبدیل کنیم، برای راه انداختن این فرآیند.
در نتیجه در یک مدت زمان کوتاه، فکر می کنیم که ممکن است بتوانیم به توسعه سوال اساسی "حیات چیست؟" کمک کنیم واقعا -- شما که می دانید -- هدف های متواضعانه ای برای جایگزینی کل صنعت مواد شیمیایی-بنزین داریم.
(خنده) (تشویق)
بله. اگر این کار را در TED نمی شود کرد پس کجا می شود کرد؟
(خنده)
تبدیل شدن به اصلی ترین منبع انرژی. اما همچنین در حال کار کردن با همین ابزارها برای بوجود آوردن سری های فوری واکسن ها هستیم. امسال با آنفولانزا دیده اید، همیشه یک سال عقب هستیم و کمبود مالی داریم وقتی که کار به واکسن درست می رسد. فکر می کنم این می تواند تغییر بکند با ساختن پیشاپیش واکسن های ترکیبی. اینجا چیزی است که ممکن است آینده به نظر برسد همراه با تغییر، حالا این درخت تکامل با سرعت بیشتری به سمت تکامل می رود با باکتری های ساخته شده، آرکیا، و سرانجام یوکاریوت ها. راه درازی تا اصلاح انسان داریم. هدفمان فقط این است که مطمئن بشویم شانس بقا کافی برای شاید انجام آن کار داشته باشیم. بسیار متشکرم.
(تشویق)