چگونه DNA مصنوعی بسازیم و آن را به سرتاسر اینترنت بفرستیم

خب، می‌خواهم با شما دربارهساخت سلول‌های مصنوعی و چاپ زندگی حرف بزنم. اجازه دهید اول داستانی کوتاهرا برایتان بگویم. در ۳۱ مارس ۲۰۱۳، من و تیمم، ایمیلی از یکبین المللی بهداشت سازمان دریافت کردیم، که به ما خبر می‌داد در چین، دو مرد، در مدت کوتاهی پس از ابتلا به آنفولانزای مرغی H۷N۹فوت کرده بودند. ترس از همه گیر شدن بیماری وجود داشت، چون ویروس داشت به سرعتدر سراسر چین پخش می‌شد. روش‌هایی برای تولیدواکسن آنفلوانزا و جلوگیری از گسترش بیماری وجود داشت، اما در بهترین حالت ممکن، حداقل شش ماهلازم بود تا بعد به دست بیماران برسد. دلیلش هم این بود که تنها گزینه موجود، فرایندی کند و نخ نما در تولید واکسن آنفلوانزا بود،که بیش از ۷۰ سال پیش، ایجاد شده بود. ویروس می‌بایست از بیماران آلوده گرفته شده، بسته بندی شده، و سپس به مرکزی ارسال می‌شد و در آنجا دانشمندان ویروس را بهتخم مرغ‌ها تزریق می‌کردند، و آن‌ها را چند هفته در دستگاهجوجه کشی قرار می‌دادند تا بتوانند ویروس رابرای شروع فرآیند چند مرحله‌ای، و چند ماهه تولید واکسن آنفلوآنزاآماده کنند. من و تیمم این ایمیل رابه این دلیل دریافت کردیم که اخیرا توانسته بودیم چاپگری بیولوژیک اختراع کنیم. که این امکان را می‌داد کهدستورالعمل تولید واکسن آنفلوانزا بلافاصله از اینترنت دانلود، و چاپ شود. روشی که به شدت سرعت تولیدواکسن‌های آنفلوآنزا را بالا برده، و به طور بالقوه جان هزاران نفر رانجات می‌داد. چاپگر بیولوژیکی توانایی ما را درخواندن و نوشتن DNA بالا می‌برد، و قدرت تفکر چیزی را به ما می‌دهد. که دوست داریم اسمش را بگذاریمانتقال جرم بیولوژیکی. من زیست شناس و مهندسی هستمکه با استفاده از DNA چیزهایی تولید می‌کند. باور کنید یکی از کار‌های مورد علاقه‌ام این است که DNA را تکه تکه کنمو دوباره آن را سرهم کنم تا بتوانم نحوه عملکرد آن را بهتر درک کنم. مثل برنامه‌نویسان کامپیوتر، می‌توانم DNA را برای کار‌های مختلف ویرایش و برنامه نویسی کنم. امانرم افزار‌های من متفاوت‌اند. آفریننده زندگی هستند. سلول‌های زنده خودجایگزین‌گری و چیز‌هایی مثل واکسن، و داروهایی که به روش‌هایی کار می‌کنندکه قبلا غیرممکن بود. اینجا برنده مدال ملی علوم، کریگ ونتر و برنده جایزه نوبل، هم اسمیترا می‌بینید. این دو مرد دیدگاه مشابهی داشتند. از آنجایی که عملکرد وویژگی‌های همه موجودات بیولوژیکی، از جمله ویروس‌ها و سلول‌های زنده، با کد DNA نوشته می‌شود. اگر کسی بتواند آن کد DNA رابخواند و بنویسد، پس می‌تواند آن‌ها را در مکان دیگریبازتولید کند. منظور ما از دور ترارسانى بیولوژیکی، چنین چیزی هست. برای اثبات این دیدگاه، کریگ و هم هدفی را برای ایجاد اولین سلول مصنوعی ایجاد کردند که ازکد DNA در رایانه شروع می‌شود. یعنی، بی خیالبه عنوان یک دانشمند به دنبال شغل انجام تحقیقات پیشرفته، از این بهتر هم نمی‌شود. (خنده حضار) خب، ژنوم مجموعه‌ای کامل از DNAدرون یک اندام است. پس از پروژه ژنوم انسان در سال ۲۰۰۳، که تلاش بین‌المللی برای شناسایی طرح کلی ژنتیکی انسان بود، یک انقلاب ژن‌شناسی اتفاق افتاد. دانشمندان شروع به یادگیری تکنیک‌هایخواندن DNA کردند. به منظور تعیین نظم و ترتیب As ها، Ts، CsوGsها درون یک اندام. اما شغل من بسیار متفاوت بود. باید در استفاده از تکنیک‌هاییبرای نوشتن DNAاستاد شوم. مانند یک نویسنده کتاب، با نوشتن جملات کوتاه، یا توالی کد‌های DNA، اما به زودی به پاراگراف‌های نوشتاری و سپس رمانهای سرشار از کد DNA، آغاز گردید تا دستورالعمل‌های مهم زیستی پروتئین‌هاو سلول‌های زنده را بسازند. سلول‌های زنده موثرترین ماشین‌هادر ساخت محصولات جدید هستند،‌ دربرگیرنده تولید ۲۵ درصد از کل بازار دارویی هستند که میلیاردها دلار است. ما می‌دانستیم که نوشتن DNA این اقتصادزیستی را حتی بیشتر می‌کند. زمانی که سلول‌ها بتوانند مثلکامپیوترها برنامه ریزی شوند. همچنین می‌دانستیم که نوشتن DNA، انتقال جرمبیولوژیکی زیستی را قادر می‌سازد… چاپ تعریف شده، مواد زیستی از کد DNA شروع می‌شود. به عنوان یک گام برای به ثمررساندن این وعده‌ها، تیم ما برای اولین بار، یک سلول باکتری سنتزی ایجاد کرد، که از کد DNA در رایانه شروع می‌شد. DNA مصنوعی یک کالا است. شما می‌توانید قطعات خیلی کوتاه از DNAرا از تعدادی از شرکت‌ها سفارش دهید، وآن‌ها از این چهار بطری مواد شیمیاییسازنده DNA، G، A، T و C. شروع خواهند کرد، و آن‌ها این قطعات بسیار کوتاه DNAرا برای شما خواهند ساخت. طی ۱۵ سال گذشته، تیم‌های من در حال توسعه فن‌آوری برای چسباندن قطعات کوتاه DNA درکروموزم‌هاى کامل باکتری‌ها بوده‌اند. بزرگ‌ترین کروموزمی که ایجاد کردیم شاملبیش از یک میلیون حروف بود، که بیش از دو برابر اندازه رمانمتوسط شما است. و ما باید هر یک از آن حروف را درترتیب صحیح، بدون استثنا، قرار دهیم. قادر بودیم این کار را با توسعهروشی انجام دهیم که مایلم آن را"روش تک گام نقاط هم دمادرآزمایشگاه ترکیبی" بنامم. (خنده) اما بطور شگفت‌آوری، جامعه علمی، این نامرا به لحاظ فنی درست می‌خواند و تصمیم گرفت آن را سر هم کردن گیبسون بنامد. سرهم بندی گیبسون اکنون ابزار استانداردطلایی است، که در آزمایشگاه‌های سرتاسر دنیا برای ساخت قطعات کوتاه و بلند DNAاستفاده می‌شود. (تشویق) هنگامی که به طور شیمیایی ژنوم کامل باکتریرا سنتز کردیم، چالش بعدی ما یافتن راهی برای تبدیل آن به یک سلول آزاد وسلول خود ‌‌تکرارشونده بود. رویکرد ما این بود که به ژنوم به عنوانسیستم عملیاتی سلول بیندیشیم. و سلول شامل سخت افزار لازم برایراه اندازی ژنوم بود. از طریق آزمون و خطای فراوان، روشی را توسعه دادیم که در آنمی‌توانستیم سلول‌هایی را شناسایی کنیم وبا جایگزین کردن ژنومیک سلول با یک سلول دیگر، حتی یک گونه باکتری را به دیگری تبدیل کنیم. این پیوند ژنوم، راه را برای راه اندازی ژنوم‌ها که توسط دانشمندان نوشته شده بودهموار کرد و نه توسط طبیعت مادر. در سال ۲۰۱۰، همه فن آوری‌هایی که برای خواندن و نوشتن DNAدر حال توسعه بودیم، همگی به وقت اعلام خلق اولین سلول مصنوعی البته ما آن را سنتیا نامیده بودیم گرد هم آمدند. (خنده ) از زمانی که اولین ژنوم باکتریایی در۱۹۹۵ توالی یابی شد، بیشتر از هزاران ژنوم باکتریایی توالی یابیو در پایگاه داده‌های کامپیوتری ذخیره شده است. کار سلول مصنوعی ما اثباتی بر اینمفهوم بود که می‌توانستیم این فرآیند را معکوس کنیم: یک زنجیره کامل ژنوم باکتریایی را ازکامپیوتر بیرون بکشید و آن اطلاعات را به یک سلول زنده، خود همانند شونده، با تمام ویژگی‌های مورد انتظار گونه‌هاییکه ساخته‌ایم، تبدیل کنید. حالا می‌توانم درک کنم که چرا ممکن است نگرانی‌هایی در مورد ایمنی این سطح ازدستکاری ژنتیکی وجود داشته باشد. در حالی که این فن‌آوری دارای پتانسیل برایمنافع اجتماعی بزرگ است، اما پتانسیل آسیب رساندن را نیز دارد. با توجه به این مساله، حتی قبل ازانجام اولین آزمایش، تیم ما شروع به کار با مردم و دولت برای یافتن راه حل‌هایی برای توسعه مسئولانه و قانونمند کردن اینفن‌ٰآوری جدید کرد. یکی از نتایج آن بحث‌ها این بود که هر مشتری و هر سفارش دهنده DNA ساخته شده، را غربال کند، تا مطمئن شود که بیمارییا سموم توسط افراد بد و یا تصادفا توسط دانشمندانساخته نشده‌اند. همه سفارش‌های مشکوک به اف بی آی و دیگر موسسات اجرای قانون گزارش می‌شوند. فن‌آوری‌های سلولی مصنوعی، انقلاب صنعتیبعدی را به قدرت خواهند رساند و صنایع و اقتصاد را به روش‌هایی تبدیل خواهند کرد که بهچالش‌های پایداری جهانی رسیدگی می‌کنند. احتمالات بی پایان هستند. منظورم این است که می‌توانید بهلباس‌های ساخته شده از منابع انرژی تجدیدپذیر، اتومبیل‌هایی که با سوخت زیستی ازمیکروب‌های مهندسی شده حرکت می‌کنند، پلاستیک‌های ساخته شده از پلیمر‌های قابل تجزیه زیستی و درمان‌های سفارشیچاپ شده در کنارتخت‌ بیماران فکر کنید. تلاش‌های گسترده برای ایجاد سلول‌هایمصنوعی باعث شده است که ما را در زمینه نوشتن DNA به رهبراندنیا تبدیل کند. در طی این فرایند، ما راه‌هایی برای نوشتن سریع‌تر، دقیق‌تر و مطمئن‌تر پیدا کردیم. به دلیل نیرومندی این فن‌آوری‌ها، دریافتیم که می‌توانیم به آسانی فرآیندهارا خودکار کنیم و جریان کار آزمایشگاه را از دانشمندان به یک ماشین منتقل کنیم. در سال ۲۰۱۳، اولین چاپگر DNA را ساختیم. آن را بایو ایکس پی نامیدیم. و قطعا برای نوشتن DNA در طول تعدادی از اپلیکیشنهایی که تیم من و محققان سراسر جهان در حال کاربر روی آن هستند، بسیار ضروری بوده است. کمی بعد از این که بیو ایکس پیرا ساختیم بود که آن ایمیل را در مورد بیماریآنفلوآنزای مرغی H۷N۹ در چین دریافت کردیم. یک تیم از دانشمندان چینی قبلا اینویروس را جدا کرده، و DNA را توالی یابی کردند و ترتیبDNA را به اینترنت آپلود کرده بودند. ما به درخواست دولت ایالات متحده، توالی DNAرا دانلود کردیم و در کم تر از ۱۲ ساعت، ما آن را رویبیو ایکس پی چاپ کردیم. همکاران ما در نوارتیس به سرعت شروع به تبدیل DNA مصنوعی به یکواکسن آنفلوآنزای خوکی کردند. در همین حال، CDC با استفاده از فن آوری کهبه دهه ۱۹۴۰ برمی گردد، هنوز منتظر ورود این ویروس از چین بود تا جایی که بتوانند رویکرد مبتنی برتخم مرغ‌هابشان را آغاز کنند. برای اولین بار، ما یک واکسن آنفلوآنزایخوکی داشتیم که برای نژاد جدید و بالقوه خطرناکتوسعه یافته بود. و دولت آمریکا یک انبار سفارش داد (تشویق) این زمانی بود که من بیشتر از همیشهقدردانی می‌کردم. حتی بیشتر از همیشه قدرت انتقالجرم بیولوژیکی. (خنده) طبیعتا، با توجه به این موضوع، شروع به ساخت یک انتقال دهندهبیولوژیکی کردیم. آن را DBC می‌نامیم. خلاصه شده برای مبدل زیستی بهدیجیتالی است. برخلاف بایو اکس پی. که از قطعات کوتاه پیش ساخته از DNAشروع می‌شود. DBC از کد DNA دیجیتال شروع می‌شود و تبدیل کد DNA به موجودیت‌هایبیولوژیکی مانند RNA، پروتئین‌ها یا حتی ویروس‌ها می‌شود. شما می‌توانید به بایو ایکس پی به عنوانیک دی وی دی پلیر فکر کنید، و یک دی وی دی فیزیکی را وارد کنید، در حالی که DBC نت فلیکس است. برای ساخت DBC، تیم دانشمندان من با مهندسین نرم افزارو ابزار دقیق کار کردند تا جریان کار آزمایشگاهی را از بین ببرند. همه در یک جعبه. این شامل الگوریتم‌های نرم افزاری برایپیش بینی آنچه DNA است، می‌شود. از لحاظ شیمی برای پیوند بلوک G، A، T و Cبه قطعات کوتاه، سرهم نهادن گیبسون برای کنار هم گذاشتناین قطعات کوتاه به قطعات بسیار طولانی‌تر. و به زعم زیست شناسی، DNA را به سایرنهاده‌ای زیستی تبدیل کنیم، مثل پروتئین. این نمونه اولیه است. هر چند که جذاب نبود، اما موثر بود. باعث شد که داروها و واکسن‌های درمانی و جریان کار آزمایشگاهی که زمانی چندهفته یا چند ماه طول می‌کشید اکنون می‌توانست در عرض یک تادو روز انجام شود. و همه آن‌ها بدون هیچ گونه دخالت انسانی و از طریق دریافت یک ایمیل که می‌توانست از هر جایی در جهان فرستاده شود، فعال شود. دوست داریم بایو ایکس پی را با ماشین‌هایفکس مقایسه کنیم. اما در جایی که ماشین‌های فکس تصویرو اسناد را دریافت می‌کنند، DBC مواد زیستی را دریافت می‌کند. حال، توجه کنید که یک دستگاه فکس چگونه تکامل یافته است. نمونه اولیه دهه ۱۸۴۰ در قیاس با ماشین‌های فکس امروز غیرقابل تشخیص است. در دهه ۱۹۸۰ بسیاری از مردم هنوزنمی‌دانستند که دستگاه فکس چه کار می‌کند. و اگر می‌دانستند درک مفهوم تولید سریع یک تصویر در طرف دیگر جهان برای آن‌ها دشوار بود. اما امروزه، هر آنچه فکس انجام می‌دهد با تلفن‌های هوشمند ما ادغام شده، و البته که این تبادل سریع اطلاعات دیجیتالرا به طور بدیهی فرض می‌کنیم. این چیزی است که DBC ما امروزبه نظر می‌رسد. ما تصور می‌کنیم که DBC در روش‌های مشابهدستگاه‌های فکس در حال تکامل هستند. تلاش می‌کنیم که اندازه ابزاررا کاهش دهیم، و تلاش می‌کنیم تا فن‌آوری زیربنایی معتبرتر، ارزانتر، سریع‌تر و دقیق‌تری را بسازیم. زمانی که DNA سنتز می‌شوددقت بسیار مهم است. چون تغییر حتی در یک حرف DNA می‌تواند به معنی تفاوت بین کار یک داروباشد یا نه، یا که سلول سنتز شده زنده یا مرده باشد. DBC برای تولید توزیع شده دارو که از DNAشروع می‌شود مفید خواهد بود. هر بیمارستانی در جهان می‌تواند از DBC برای چاپ دارو‌های شخصی بیمار در کناربستر خود استفاده کند. حتی می‌توانم روزی را تصور کنم که داشتنDBC برای افرادی که مجبور به اتصال به کامپیوتر خانگیو یا تلفن هوشمند هستند بعنوان ابزاری برایدانلود نسخه‌ها مثل انسولین یا درمان‌های آنتی بادی باشدامری طبیعی باشد. DBC همچنین زمانی ارزشمند خواهد بود کهدر مناطق استراتژیک سراسر جهان، برای واکنش سریع به شیوع بیماریقرار داده شود. به عنوان مثال، CDC در مرکز کنترل بیماری‌هادر آتلانتا، جورجیا می‌تواند دستورالعمل‌های واکسن آنفولانزارا به DBC در طرف دیگر جهان بفرستد. که در آنجا واکسن آنفولانزا درست در خطوطمقدم تولید می‌شود. این واکسن آنفولانزا می‌تواند به طور خاصبا سویه‌های آنفولانزایی که در آن ناحیه محلی در جریان است، طراحی شود. ارسال واکسن در یک پرونده دیجیتالی. به جای انبار کردن وحمل این واکسن‌ها وعده نجات هزاران زندگی‌را می‌دهد. البته این برنامه‌ها تا جایی که نیرویتخیل می‌رود پیش می‌روند. به سختی می‌توان تصور کرد که یک DBCروی یک سیاره دیگر قرار داده شود. دانشمندان روی زمین می‌تواننددستورالعمل‌های دیجیتال را برای ساختن دارو‌های جدید یا تولید اندام‌های مصنوعی که اکسیژن، غذا، سوخت و مصالحساختمانی را تولید می‌کنند، بعنوان وسیله‌ای در قابل سکونت‌تر کردنسیاره برای انسان‌ها به DBC ارسال کنند. (تشویق) با اطلاعات دیجیتالی که با سرعت نورسفر می‌کنند. فقط چند دقیقه طول می‌کشد تا آندستورالعمل‌های دیجیتال از زمین به مریخ ارسال شود. اما ماه‌ها طول می‌کشد تا به طور فیزیکیهمان نمونه‌ها را در سفینه‌ای ارسال کنند. اما فعلا می‌توانم به این رضایت دهم که دارو‌های جدید در سرتاسر جهان کاملاً خودکار و با تقاضا ارسال شوند، به نجات جان‌ها از بیماری‌های عفونیدر حال ظهور بپردازند ودارو‌های مخصوص سرطان را برای کسانیکه زمان کافی برای انتظار ندارند چاپ کنم. سپاسگزارم. (تشویق)