ABOUT THE SPEAKER
Paul Rothemund - DNA origamist
Paul Rothemund folds DNA into shapes and patterns. Which is a simple enough thing to say, but the process he has developed has vast implications for computing and manufacturing -- allowing us to create things we can now only dream of.

Why you should listen

Paul Rothemund won a MacArthur grant this year for a fairly mystifying study area: "folding DNA." It brings up the question: Why fold DNA? The answer is -- because the power to manipulate DNA in this way could change the way we make things at a very basic level.

Rothemund's work combines the study of self-assembly (watch the TEDTalks from Neil Gershenfeld and Saul Griffith for more on this) with the research being done in DNA nanotechnology -- and points the way toward self-assembling devices at microscale, making computer memory, for instance, smaller, faster and maybe even cheaper.

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Paul Rothemund | Speaker | TED.com
TED2007

Paul Rothemund: Playing with DNA that self-assembles

Paul Rothemund zaubert mit der DNA

Filmed:
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Paul Rothemund schreibt DNA-Codes so um, dass sie sich selbst zu Sternen, Smileys usw. anordnen. Sicher sieht das nach einem Trick aus, aber es ist auch die Demonstration einer Selbstanordnung in minimalstem Maßstab – allerdings mit gewaltiger Auswirkung auf zukünftige Entwicklungen.
- DNA origamist
Paul Rothemund folds DNA into shapes and patterns. Which is a simple enough thing to say, but the process he has developed has vast implications for computing and manufacturing -- allowing us to create things we can now only dream of. Full bio

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There's an ancientAntike and universalUniversal- conceptKonzept that wordsWörter have powerLeistung,
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Eine uralte und universelle Auffassung besagt, dass Worte Macht besitzen,
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that spellsZauber existexistieren, and that if we could only pronounceaussprechen the right wordsWörter,
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dass es Zaubersprüche gibt, bei denen man nur die richtigen Wörter aussprechen muss,
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then -- whoooshwhooosh -- you know, an avalancheLawine would come
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wodurch, woooooosh! Ihr wisst schon, eine Lawine ausgelöst wird
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and wipewischen out the hobbitsHobbits, right? So this is a very attractiveattraktiv ideaIdee
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und die Hobbits weggefegt werden. Das ist doch eine verlockende Vorstellung,
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because we're very lazyfaul, like the sorcerer'sZauberlehrling apprenticeLehrling,
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weil wir ja sehr faul sind, wie der Zauberlehrling,
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or the world'sWelt greatestgrößte computerComputer programmerProgrammierer.
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oder wie der beste Programmierer der Welt.
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And so this ideaIdee has a lot of tractionTraktion with us.
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Diese Vorstellung ist also sehr verlockend für uns.
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We love the ideaIdee that wordsWörter, when pronouncedausgesprochen --
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Wir lieben die Idee, dass Wörter, wenn ausgesprochen -
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they're just little more than purerein informationInformation,
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obwohl eigentlich nicht viel mehr als reine Information -
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but they evokehervorrufen some physicalphysisch actionAktion
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in der Realität doch Reaktionen hervorrufen,
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in the realecht worldWelt that helpshilft us do work.
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die uns bei der Arbeit helfen.
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And so, of courseKurs, with lots of programmableprogrammierbar computersComputer
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Und natürlich, bei so vielen programmierbaren Computern
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and robotsRoboter around this is an easyeinfach thing to pictureBild.
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und Robotern um uns herum ist es leicht, sich das vorzustellen.
01:00
So how manyviele of you know what I'm talkingim Gespräch about?
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Wie viele von euch wissen, wovon ich hier spreche?
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RaiseErhöhen your right handHand. OK. How manyviele of you
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Hebt eure rechte Hand. OK. Wie viele von euch
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don't know what I'm talkingim Gespräch about? RaiseErhöhen your left handHand.
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wissen nicht, wovon ich spreche? Hebt eure linke Hand. OK.
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So that's great. So that was too easyeinfach.
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Alles klar. Prima. Das war also zu einfach.
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You guys have very insecureunsicher computersComputer, OK?
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Leute, ihr habt wohl alle sehr unzuverlässige Computer, wie?
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So now, the thing is that this is a differentanders kindArt of spellZauber.
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Nun, das ist jetzt eine andere Art von Zauberei.
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This is a computerComputer programProgramm madegemacht of zerosNullen and onesEinsen.
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1000
Das ist ein Computerprogramm aus Nullen und Einsen.
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It can be pronouncedausgesprochen on a computerComputer. It does something like this.
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Es kann mittels eines Computers gelesen werden. Das sieht ungefähr so aus.
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The importantwichtig thing is we can writeschreiben it in a high-levelhohes Level languageSprache.
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Das Wichtigste ist, dass wir es in einer Programmiersprache schreiben können.
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A computerComputer magicianZauberer can writeschreiben this thing.
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Ein Computer-Zauberer kann das schreiben.
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It can be compiledkompiliert into this -- into zerosNullen and onesEinsen --
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Es kann zu so was zusammengestellt werden – in Nullen und Einsen -
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and pronouncedausgesprochen by a computerComputer.
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und durch einen Computer gelesen werden.
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And that's what makesmacht computersComputer powerfulmächtig:
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Und das macht die Computer so leistungsstark:
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these high-levelhohes Level languagesSprachen that can be compiledkompiliert.
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diese Programmiersprachen, die zusammengesetzt werden können.
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And so, I'm here to tell you, you don't need a computerComputer
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69000
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Und nun bin ich hier, um euch zu erzählen, dass man keinen Computer braucht,
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to actuallytatsächlich have a spellZauber. In factTatsache, what you can do
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72000
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um einen Zauberspruch zu erhalten. Tatsächlich kann man
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at the molecularmolekular levelEbene is that if you encodeCodieren informationInformation --
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auf molekularem Niveau Informationen so kodieren -
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you encodeCodieren a spellZauber or programProgramm as moleculesMoleküle --
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man kodiert einen Zauberspruch oder ein Programm als Moleküle -
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then physicsPhysik can actuallytatsächlich directlydirekt interpretinterpretieren that informationInformation
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dann kann die Physik diese Informationen direkt übersetzen
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and runLauf a programProgramm. That's what happensdas passiert in proteinsProteine.
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84000
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und ein Programm ablaufen lassen. Genau das geschieht in den Proteinen.
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When this aminoAmino acidAcid sequenceSequenz getsbekommt pronouncedausgesprochen as atomsAtome,
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87000
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Wenn diese Aminosäuresequenz als Atome gelesen wird,
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these little lettersBriefe are stickyklebrig for eachjede einzelne other.
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kleben diese Buchstaben aneinander.
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It collapsesbricht zusammen into a three-dimensionaldreidimensional shapegestalten that turnswendet sich it into
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3000
Es kollabiert in eine dreidimensionale Struktur, so dass es sich in
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a nanomachineNanomaschinen that actuallytatsächlich cutsSchnitte DNADNA.
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eine DNA-schneidende Nanomaschine umwandelt.
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And the interestinginteressant thing is that if you changeVeränderung the sequenceSequenz,
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97000
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Und das Interessante dabei ist, dass bei einer Veränderung der Sequenz
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you changeVeränderung the three-dimensionaldreidimensional foldingFaltung.
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auch die dreidimensionale Struktur verändert wird.
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You get now a DNADNA staplerHefter insteadstattdessen. These are the kindArt of
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3000
Dann bekommt man stattdessen einen "DNA-Tacker". Das sind die Arten von
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molecularmolekular programsProgramme that we want to be ablefähig to writeschreiben,
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105000
2000
molekularen Programmen, die wir schreiben können wollen.
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but the problemProblem is, we don't know the machineMaschine languageSprache of
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Aber das Problem ist, dass wir die Maschinensprache der
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proteinsProteine. We don't have a compilerCompiler for proteinsProteine.
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Proteine nicht kennen; es gibt keine Umwandlungsmaschinen für Proteine.
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So I've joinedbeigetreten a growingwachsend bandBand of people that try to make
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2000
Deshalb habe ich mich einer immer größer werdenden Gruppevon Leuten angeschlossen, die versuchen
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molecularmolekular spellsZauber usingmit DNADNA. We use DNADNA because it's cheaperbilliger.
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molekulare Zauberei mit der DNA zu vollführen. Wir benutzen die DNA, weil sie billiger ist.
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It's easiereinfacher to handleGriff. It's something that we understandverstehen really well.
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2000
Und deren Handhabung ist einfacher. Es ist etwas, was wir schon ziemlich gut verstehen.
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We understandverstehen it so well, in factTatsache, that we think we can actuallytatsächlich writeschreiben
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4000
Wir verstehen es tatsächlich schon so gut, dass wir glauben, wir können wirklich schon
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programmingProgrammierung languagesSprachen for DNADNA and have molecularmolekular compilersCompiler.
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DNA-Programmiersprachen schreiben und haben eine molekulare Umwandlungsmaschine.
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So then, we think we can do that. And my first questionFrage doing this --
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127000
4000
Wie gesagt, wir denken, wir können das. Und meine erste Frage -
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or one of my questionsFragen doing this -- was how can you make
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1000
oder eine meiner Fragen – war: Wie kann man
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an arbitrarywillkürlich shapegestalten or patternMuster out of DNADNA? And I decidedbeschlossen to use
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133000
3000
x-beliebige Formen oder Muster aus DNA machen? Und ich entschied mich
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a typeArt of DNADNA origamiOrigami, where you take a long strandStrang of DNADNA
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136000
3000
eine Art von DNA-Origami zu benutzen, wobei man einen langen DNA-Strang nimmt
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and foldfalten it into whateverwas auch immer shapegestalten or patternMuster you mightMacht want.
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139000
3000
und ihn in eine beliebige Form oder Muster faltet, ganz wie man will.
02:47
So here'shier ist a shapegestalten. I actuallytatsächlich spentverbraucht about a yearJahr in my home,
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142000
3000
Hier ist so eine Form. Tatsächlich habe ich etwa ein Jahr lang zu Hause
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in my underwearUnterwäsche, codingCodierung, like LinusLinus [TorvaldsTorvalds], in that pictureBild before.
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145000
3000
kodierend in meiner Unterwäsche verbracht, so wie Linus [Torvalds] auf einem der vorherigen Bilder.
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And this programProgramm takes a shapegestalten, spitsspuckt out 250 DNADNA sequencesSequenzen.
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149000
3000
Dieses Programm bekommt eine Form und spuckt dann 250 DNA-Sequenzen aus.
02:57
These shortkurz DNADNA sequencesSequenzen are what are going to foldfalten the long strandStrang
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152000
3000
Diese kurzen DNA-Sequenzen dienen dazu, dass die langen Stränge sich
03:00
into this shapegestalten that we want to make. So you sendsenden an e-mailEmail
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155000
3000
in die Form falten, die wir wollen. Man sendet eine Email
03:03
with these sequencesSequenzen in it to a companyUnternehmen, and what it does --
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158000
3000
mit diesen Sequenzen an eine Firma,
03:07
the companyUnternehmen pronouncesspricht them on a DNADNA synthesizerSynthesizer.
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162000
1000
und die Firma überträgt sie auf einen DNA-Synthesizer.
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It's a machineMaschine about the sizeGröße of a photocopierFotokopierer. And what happensdas passiert is,
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164000
3000
Das ist eine Maschine so ungefähr von der Größe eines Fotokopierers. Und was passiert, ist,
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they take your e-mailEmail and everyjeden letterBrief in your e-mailEmail,
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167000
2000
dass sie jeden Buchstaben in dieser Email nehmen und
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they replaceersetzen with 30-atom-Atom clusterCluster -- one for eachjede einzelne letterBrief,
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169000
3000
ihn in ein Cluster aus 30 Atomen verwandeln, für jeden Buchstaben eins,
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A, T, C, and G in DNADNA. They stringZeichenfolge them up in the right sequenceSequenz,
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172000
3000
A, T, C und G für die DNA. Sie binden sie in der richtigen Reihenfolge zusammen ,
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and then they sendsenden them back to you viaüber FedExFedEx.
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176000
1000
und senden sie per Kurierdienst zurück.
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So you get 250 of these in the mailPost in little tubesRöhren.
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178000
1000
So bekommt man 250 kleine Röhrchen per Post.
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I mixmischen them togetherzusammen, addhinzufügen a little bitBit of saltSalz- waterWasser,
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180000
3000
Ich mische sie zusammen, füge ein wenig Salzwasser dazu,
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and then addhinzufügen this long strandStrang I was tellingErzählen you about,
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183000
2000
und gebe diesen langen Strang dazu, den ich erwähnt habe,
03:30
that I've stolengestohlen from a virusVirus. And then what happensdas passiert is,
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185000
2000
den ich von einem Virus gestohlen habe. Und dann
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you heatHitze this wholeganze thing up to about boilingKochen. You coolcool it down
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188000
3000
erhitzt man das Ganze fast bis zum Sieden. Man kühlt es
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to roomZimmer temperatureTemperatur, and as you do,
70
192000
1000
auf Raumtemperatur ab, und während dessen
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what happensdas passiert is those shortkurz strandsStränge, they do the followinges folgen thing:
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193000
2000
passiert Folgendes mit den kurzen Strängen:
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eachjede einzelne one of them bindsbindet that long strandStrang in one placeOrt,
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196000
3000
Jeder einzelne von ihnen bindet diesen langen Strang an einer Stelle
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and then has a secondzweite halfHälfte that bindsbindet that long strandStrang
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199000
2000
und bindet mit der zweite Hälfte den langen Strang
03:47
in a distantentfernt placeOrt, and bringsbringt those two partsTeile of the long strandStrang
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202000
3000
an einer weiter entfernt liegenden Stelle, so dass zwei Teile des langen Strangs
03:50
closeschließen togetherzusammen so that they stickStock togetherzusammen.
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205000
2000
aneinander schließen, sodass sie zusammenkleben.
03:52
And so the netNetz effectbewirken of all 250 of these strandsStränge is to foldfalten
76
207000
3000
Und das Nettoergebnis dieser 250 Stränge ist,
03:55
the long strandStrang into the shapegestalten that you're looking for.
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210000
4000
den langen Strang in die Form zu bringen, die wir wollen;
03:59
It'llEs werde approximateungefähre that shapegestalten. We do this for realecht in the testTest tubeTube.
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214000
3000
er wird sich an die Form angleichen. In Wirklichkeit machen wir das in einem Reagenzglas.
04:02
In eachjede einzelne little dropfallen of waterWasser you get 50 billionMilliarde of these guys.
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217000
3000
In jedem Wassertropfen erhält man 50 Milliarden dieser Typen.
04:05
You can look with a microscopeMikroskop and see them on a surfaceOberfläche.
80
220000
2000
Man kann sich ihre Oberfläche mit einem Mikroskop anschauen.
04:08
And the neatordentlich thing is that if you changeVeränderung the sequenceSequenz
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223000
1000
Und das Tolle daran ist, dass man dann, wenn man die Sequenz ändert
04:09
and changeVeränderung the spellZauber, you just changeVeränderung the sequenceSequenz of the staplesHeftklammern.
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224000
4000
und den Zauberspruch ändert, auch die Sequenz dieser Verbindungen ändert.
04:13
You can make a moleculeMolekül that lookssieht aus like this, and, you know,
83
228000
3000
Man kann ein Molekül machen, das so aussieht, und
04:16
he likesLikes to hangaufhängen out with his buddiesFreunde, right.
84
231000
2000
es hängt nämlich ganz gern mit seinen Kumpels herum.
04:19
And a lot of them are actuallytatsächlich prettyziemlich good.
85
234000
1000
Und viele von denen sind wirklich ziemlich gut.
04:21
If you changeVeränderung the spellZauber again, you changeVeränderung the sequenceSequenz again.
86
236000
2000
Wenn man den Zauberspruch wieder ändert, ändert man wieder die Sequenz.
04:23
You get really nicenett 130 nanometerNanometer trianglesDreiecke. If you do it again,
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238000
4000
Man bekommt schöne Dreiecke von 130 Nanometer Größe. Wenn man es wieder ändert,
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you can get arbitrarywillkürlich patternsMuster. So on a rectangleRechteck
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242000
3000
kriegt man x-beliebige Muster. So kann man auf einem Rechteck
04:30
you can paintFarbe patternsMuster of NorthNorden and SouthSüden AmericaAmerika, or the wordsWörter, "DNADNA."
89
245000
5000
die Muster von Nord- und Südamerika oder die Buchstaben “DNA” malen.
04:35
So that's DNADNA origamiOrigami. That's one way. There are manyviele waysWege
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250000
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Das also ist DNA-Origami. Das ist nur eine von vielen Möglichkeiten,
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of castingCasting molecularmolekular spellsZauber usingmit DNADNA.
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254000
3000
mit der DNA auf der Molekularebene zu zaubern.
04:42
What we really want to do in the endEnde is learnlernen how to programProgramm
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257000
3000
Was wir am Ende wirklich erreichen wollen, ist zu lernen, wie wir
04:45
self-assemblySelbstmontage so that we can buildbauen anything, right?
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260000
3000
die Selbstanordnung so programmieren, dass wir alles Mögliche formen können.
04:48
We want to be ablefähig to buildbauen technologicaltechnologisch artifactsArtefakte
94
263000
2000
Wir möchten technologische Artefakte bauen können,
04:50
that are maybe good for the worldWelt. We want to learnlernen
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265000
2000
die für die Welt von Nutzen sein könnten. Wir möchten lernen,
04:52
how to buildbauen biologicalbiologisch artifactsArtefakte, like people and whalesWale and treesBäume.
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267000
4000
wie man biologische Artefakte baut, z.B. Menschen, Wale und Bäume.
04:57
And if it's the caseFall that we can reacherreichen that levelEbene of complexityKomplexität,
97
272000
2000
Und falls wir dieses Niveau der Komplexität erreichen können,
04:59
if our abilityFähigkeit to programProgramm moleculesMoleküle getsbekommt to be that good,
98
274000
3000
wenn unsere Fähigkeit, solche Moleküle zu programmieren, wirklich so gut wird,
05:03
then that will trulywirklich be magicMagie. Thank you very much.
99
278000
3000
dann ist das wirkliche Magie. Vielen Dank.
05:06
(ApplauseApplaus)
100
281000
1000
(Applaus)
Translated by Yu-Sing Tammy Bohn
Reviewed by Wolf Ruschke

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Paul Rothemund - DNA origamist
Paul Rothemund folds DNA into shapes and patterns. Which is a simple enough thing to say, but the process he has developed has vast implications for computing and manufacturing -- allowing us to create things we can now only dream of.

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Paul Rothemund won a MacArthur grant this year for a fairly mystifying study area: "folding DNA." It brings up the question: Why fold DNA? The answer is -- because the power to manipulate DNA in this way could change the way we make things at a very basic level.

Rothemund's work combines the study of self-assembly (watch the TEDTalks from Neil Gershenfeld and Saul Griffith for more on this) with the research being done in DNA nanotechnology -- and points the way toward self-assembling devices at microscale, making computer memory, for instance, smaller, faster and maybe even cheaper.

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