TED2008
Paul Rothemund: DNA folding, in detail
Пол Ротмунд обяснява в подробности ДНК сгъването
Filmed:
Readability: 4
752,456 views
През 2007 г. Пол Ротмунд представи на TED резюме на своята специалност, ДНК сгъването. Сега той излага в ясни, изобилни подробности огромното обещание на тази област -- да се създадат малки машини, които се сглобяват сами.
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. Full bio
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
Double-click the English transcript below to play the video.
00:12
So, people argue vigorously about the definition of life.
0
0
3000
Така, хората спорят енергично за определението за живот.
00:15
They ask if it should have reproduction in it, or metabolism, or evolution.
1
3000
5000
Те питат дали то трябва да включва размножаване, метаболизъм, или еволюция.
00:20
And I don't know the answer to that, so I'm not going to tell you.
2
8000
2000
И аз не знам отговора на този въпрос, така че няма да ви го кажа.
00:22
I will say that life involves computation.
3
10000
3000
Ще ви кажа, че животът включва изчисляване.
00:25
So this is a computer program.
4
13000
2000
Така че това е една компютърна програма.
00:27
Booted up in a cell, the program would execute,
5
15000
3000
Заредена в клетка, програмата ще се изпълни
00:30
and it could result in this person;
6
18000
3000
и може да доведе до този човек
00:33
or with a small change, it could result in this person;
7
21000
3000
или с малка промяна, тя може да доведе до този човек --
00:36
or another small change, this person;
8
24000
2000
или с друга малка промяна -- до този човек,
00:38
or with a larger change, this dog,
9
26000
3000
или с по-голяма промяна -- до това куче
00:41
or this tree, or this whale.
10
29000
2000
или това дърво, или този кит.
00:43
So now, if you take this metaphor
11
31000
2000
Така че сега, ако приемете тази метафора
00:45
[of] genome as program seriously,
12
33000
2000
за генома като програма насериозно,
00:47
you have to consider that Chris Anderson
13
35000
2000
трябва да си представите Крис Андерсън
00:49
is a computer-fabricated artifact, as is Jim Watson,
14
37000
3000
като компютърно-генериран продукт, както и Джим Уотсън,
00:52
Craig Venter, as are all of us.
15
40000
3000
Крейг Вентър, както и всички нас.
00:55
And in convincing yourself that this metaphor is true,
16
43000
2000
Има много прилики
00:57
there are lots of similarities between genetic programs
17
45000
2000
между генетичните програми и компютърните програми,
00:59
and computer programs that could help to convince you.
18
47000
3000
които биха могли да помогнат да повярвате в тази метафора.
01:02
But one, to me, that's most compelling
19
50000
2000
Но тази, която ми се струва най-убедителна е
01:04
is the peculiar sensitivity to small changes
20
52000
3000
специфичната чувствителност към малки промени,
01:07
that can make large changes in biological development -- the output.
21
55000
3000
които могат да предизвикат големи промени в биологичното развитие на завършения продукт.
01:10
A small mutation can take a two-wing fly
22
58000
2000
Една малка мутация може да вземе двукрила муха
01:12
and make it a four-wing fly.
23
60000
1000
и да я превърне в четирикрила муха.
01:13
Or it could take a fly and put legs where its antennae should be.
24
61000
4000
Или може да вземе муха и да й постави крака, където трябва да бъдат антените й.
01:17
Or if you're familiar with "The Princess Bride,"
25
65000
2000
Или, ако сте запознати с "Принцесата булка,"
01:19
it could create a six-fingered man.
26
67000
2000
тя може да създаде шестпръстов мъж.
01:21
Now, a hallmark of computer programs
27
69000
2000
Сега, отличителна черта на компютърните програми
01:23
is just this kind of sensitivity to small changes.
28
71000
3000
е точно тази чувствителност към малки промени.
01:26
If your bank account's one dollar, and you flip a single bit,
29
74000
2000
Ако вашата банкова сметка е от един долар и вие промените само един бит,
01:28
you could end up with a thousand dollars.
30
76000
2000
бихте могли да се окажете с хиляда долара.
01:30
So these small changes are things that I think
31
78000
3000
Така че тези малки промени са неща, които мисля, че...
01:33
that -- they indicate to us that a complicated computation
32
81000
2000
те ни показват, че зад тези усилени големи промени в развитието
01:35
in development is underlying these amplified, large changes.
33
83000
4000
стоят сложни изчисления.
01:39
So now, all of this indicates that there are molecular programs underlying biology,
34
87000
6000
Всичко това показва, че в основата на биологията седят молекулярни програми
01:45
and it shows the power of molecular programs -- biology does.
35
93000
4000
и показва силата на молекулярните програми, които биологията изпълнява.
01:49
And what I want to do is write molecular programs,
36
97000
2000
И това, което искам да правя е да пиша молекулярни програми,
01:51
potentially to build technology.
37
99000
2000
евентуално за да правим технологии.
01:53
And there are a lot of people doing this,
38
101000
1000
Има много хора, които се занимават с това,
01:54
a lot of synthetic biologists doing this, like Craig Venter.
39
102000
3000
много синтетични биолози правят това, като Крейг Вентър,
01:57
And they concentrate on using cells.
40
105000
2000
и те се концентрират върху използването на клетки.
01:59
They're cell-oriented.
41
107000
2000
Те са ориентирани към клетките.
02:01
So my friends, molecular programmers, and I
42
109000
2000
Моите приятели, молекулярни програмисти и аз,
02:03
have a sort of biomolecule-centric approach.
43
111000
2000
използваме подход, в центъра на който са био молекулите.
02:05
We're interested in using DNA, RNA and protein,
44
113000
3000
Интересуваме се от използването на ДНК, РНК и протеини,
02:08
and building new languages for building things from the bottom up,
45
116000
3000
и създаването на нови езици за изграждането на нещата от основата нагоре,
02:11
using biomolecules,
46
119000
1000
използвайки био-молекули,
02:12
potentially having nothing to do with biology.
47
120000
3000
които потенциално няма да са свързани с биология.
02:15
So, these are all the machines in a cell.
48
123000
4000
И така, това са всички машини в една клетка.
02:19
There's a camera.
49
127000
2000
Има камера.
02:21
There's the solar panels of the cell,
50
129000
1000
Това са слънчевите панели на клетката,
02:22
some switches that turn your genes on and off,
51
130000
2000
някои ключове, които включват и изключват гените ви,
02:24
the girders of the cell, motors that move your muscles.
52
132000
3000
подпорите на клетката, мотори, които движат мускулите ви.
02:27
My little group of molecular programmers
53
135000
2000
Моята малка група от молекулярни програмисти
02:29
are trying to refashion all of these parts from DNA.
54
137000
4000
се опитва да моделира всички тези части от ДНК.
02:33
We're not DNA zealots, but DNA is the cheapest,
55
141000
2000
Ние не сме ДНК фанатици, но ДНК е най-евтиният,
02:35
easiest to understand and easy to program material to do this.
56
143000
3000
най-лесният за разбиране и лесен за програмиране материал за целите ни.
02:38
And as other things become easier to use --
57
146000
2000
И когато други неща станат по-лесни за употреба --
02:40
maybe protein -- we'll work with those.
58
148000
3000
може би протеините -- ние ще работим с тях.
02:43
If we succeed, what will molecular programming look like?
59
151000
2000
Ако успеем, как ще изглежда молекулярното програмиране?
02:45
You're going to sit in front of your computer.
60
153000
2000
Вие ще седите пред компютъра си.
02:47
You're going to design something like a cell phone,
61
155000
2000
Ще проектирате нещо като мобилен телефон,
02:49
and in a high-level language, you'll describe that cell phone.
62
157000
2000
и на език на високо ниво ще опишете този мобилен телефон.
02:51
Then you're going to have a compiler
63
159000
2000
След това ще имате компилатор,
02:53
that's going to take that description
64
161000
1000
който ще вземе това описание
02:54
and it's going to turn it into actual molecules
65
162000
2000
и ще го превърне в истински молекули,
02:56
that can be sent to a synthesizer
66
164000
2000
които могат да бъдат изпратени в синтезатор,
02:58
and that synthesizer will pack those molecules into a seed.
67
166000
3000
и този синтезатор ще опакова тези молекули в семена.
03:01
And what happens if you water and feed that seed appropriately,
68
169000
3000
И това, което ще се случи, ако напоявате и храните това семе по подходящ начин,
03:04
is it will do a developmental computation,
69
172000
2000
е че то ще направи изчисления за развитието,
03:06
a molecular computation, and it'll build an electronic computer.
70
174000
3000
молекулярни изчисления, и ще изгради електронен компютър.
03:09
And if I haven't revealed my prejudices already,
71
177000
2000
И ако не съм ви разкрил все още моите предразсъдъци,
03:12
I think that life has been about molecular computers
72
180000
2000
мисля, че животът е основно молекулярни компютри,
03:14
building electrochemical computers,
73
182000
2000
които изграждат електрохимични компютри,
03:16
building electronic computers,
74
184000
2000
които създават електронни компютри,
03:18
which together with electrochemical computers
75
186000
2000
които заедно с електрохимичните компютри,
03:20
will build new molecular computers,
76
188000
2000
ще изградят нови молекулярни компютри,
03:22
which will build new electronic computers, and so forth.
77
190000
3000
които ще изградят нови електронни компютри и така нататък.
03:25
And if you buy all of this,
78
193000
1000
И ако вярвате на всичко това,
03:26
and you think life is about computation, as I do,
79
194000
2000
и мислите, че животът е в основата си изчисления, както си мисля аз,
03:28
then you look at big questions through the eyes of a computer scientist.
80
196000
3000
значи гледате на големите въпроси през погледа на компютърен учен.
03:31
So one big question is, how does a baby know when to stop growing?
81
199000
4000
Ето ви един голям въпрос, как бебето знае кога да спре да расте?
03:35
And for molecular programming,
82
203000
2000
А за молекулярен програмист,
03:37
the question is how does your cell phone know when to stop growing?
83
205000
2000
въпросът е как мобиленият ви телефон знае кога да спре да расте?
03:39
(Laughter)
84
207000
1000
(Смях)
03:40
Or how does a computer program know when to stop running?
85
208000
3000
Или как една компютърна програма знае кога да спре да работи?
03:43
Or more to the point, how do you know if a program will ever stop?
86
211000
3000
Или по-уместно, как да разберете дали една програма някога ще спре?
03:46
There are other questions like this, too.
87
214000
2000
Има и други подобни въпроси.
03:48
One of them is Craig Venter's question.
88
216000
2000
Един от тях е въпросът на Крейг Вентър.
03:50
Turns out I think he's actually a computer scientist.
89
218000
2000
Оказва се, мисля, че той всъщност е компютърен учен.
03:52
He asked, how big is the minimal genome
90
220000
3000
Той попита колко е голям минималният геном,
03:55
that will give me a functioning microorganism?
91
223000
2000
който ще ми даде функциониращ микроорганизъм?
03:57
How few genes can I use?
92
225000
2000
Колко малко гени мога да използвам?
03:59
This is exactly analogous to the question,
93
227000
2000
Това е точно аналогично на въпроса,
04:01
what's the smallest program I can write
94
229000
1000
каква е най-малката програма, която мога да напиша,
04:02
that will act exactly like Microsoft Word?
95
230000
2000
която ще действа точно като Microsoft Word?
04:04
(Laughter)
96
232000
1000
(Смях)
04:05
And just as he's writing, you know, bacteria that will be smaller,
97
233000
4000
И точно както той пише, нали, бактерии, които ще бъдат по-малки,
04:09
he's writing genomes that will work,
98
237000
1000
пише геноми, които ще работят,
04:10
we could write smaller programs
99
238000
2000
бихме могли да напишем по-малки програми,
04:12
that would do what Microsoft Word does.
100
240000
2000
които ще правят това, което прави Microsoft Word.
04:14
But for molecular programming, our question is,
101
242000
2000
Но за молекулярното програмиране, нашият въпрос е,
04:16
how many molecules do we need to put in that seed to get a cell phone?
102
244000
4000
колко молекули трябва да поставим в това семе, за да получим мобилен телефон?
04:20
What's the smallest number we can get away with?
103
248000
2000
Кой е най-малкият брой, който можем да използваме?
04:22
Now, these are big questions in computer science.
104
250000
2000
Сега, това са големи въпроси в областта на компютърните науки.
04:24
These are all complexity questions,
105
252000
2000
Всичко това са въпроси за сложност
04:26
and computer science tells us that these are very hard questions.
106
254000
2000
и компютърната наукa ни казва, че това са много трудни въпроси.
04:28
Almost -- many of them are impossible.
107
256000
2000
Почти -- много от тях са невъзможни.
04:30
But for some tasks, we can start to answer them.
108
258000
3000
Но за някои задачи, можем да започнем да отговаряме.
04:33
So, I'm going to start asking those questions
109
261000
1000
Така че, ще започна да задавам тези въпроси
04:34
for the DNA structures I'm going to talk about next.
110
262000
3000
за ДНК структурите, за които ще говоря сега.
04:37
So, this is normal DNA, what you think of as normal DNA.
111
265000
3000
И така, това е нормално ДНК, това което мислите за нормално ДНК.
04:40
It's double-stranded, it's a double helix,
112
268000
2000
То е двойно-нагънато, това е двойна спирала,
04:42
has the As, Ts, Cs and Gs that pair to hold the strands together.
113
270000
3000
има А-та, Т-та, Ц-та и Г-та, които се свързват по двойки, за да задържат нишките заедно.
04:45
And I'm going to draw it like this sometimes,
114
273000
2000
Понякога ще го рисувам по този начин,
04:47
just so I don't scare you.
115
275000
2000
просто за да не ви плаша.
04:49
We want to look at individual strands and not think about the double helix.
116
277000
3000
Искаме да разгледаме отделните нишки и да не мислим за двойната спирала.
04:52
When we synthesize it, it comes single-stranded,
117
280000
3000
Когато го синтезираме, то е единична нишка,
04:55
so we can take the blue strand in one tube
118
283000
3000
така че можем да вземем синята нишка в една тръба,
04:58
and make an orange strand in the other tube,
119
286000
2000
да направим оранжева нишка в другата тръба,
05:00
and they're floppy when they're single-stranded.
120
288000
2000
и когато са единични, те са отпуснати.
05:02
You mix them together and they make a rigid double helix.
121
290000
3000
Смесвате ги и тогава образуват една здрава двойна спирала.
05:05
Now for the last 25 years,
122
293000
2000
През последните 25 години
05:07
Ned Seeman and a bunch of his descendants
123
295000
2000
Нед Сийман и няколко от неговите последователи,
05:09
have worked very hard and made beautiful three-dimensional structures
124
297000
3000
работиха много усилено и направиха красиви триизмерни структури,
05:12
using this kind of reaction of DNA strands coming together.
125
300000
3000
използвайки този вид реакция на ДНК нишки, които се обединяват.
05:15
But a lot of their approaches, though elegant, take a long time.
126
303000
3000
Но много от техните подходи, макар и елегантни, отнемат много време.
05:18
They can take a couple of years, or it can be difficult to design.
127
306000
3000
Могат да отнемат няколко години, или да бъдат трудни за проектиране.
05:21
So I came up with a new method a couple of years ago
128
309000
3000
Така че аз измислих един нов метод преди няколко години,
05:24
I call DNA origami
129
312000
1000
който нарекох ДНК оригами,
05:25
that's so easy you could do it at home in your kitchen
130
313000
2000
което е толкова лесно, че можете да го направите у дома в кухнята,
05:27
and design the stuff on a laptop.
131
315000
2000
и да проектирате нещата на лаптоп.
05:29
But to do it, you need a long, single strand of DNA,
132
317000
3000
Но за да го направите ви трябва дълга нишка от ДНК,
05:32
which is technically very difficult to get.
133
320000
2000
която е технически много трудно да се получи.
05:34
So, you can go to a natural source.
134
322000
2000
Можете да я потърсите в естествен източник.
05:36
You can look in this computer-fabricated artifact,
135
324000
2000
Можете да погледнете този компютърно генериран артефакт,
05:38
and he's got a double-stranded genome -- that's no good.
136
326000
2000
но той има двойно-нишков геном, който не върши работа.
05:40
You look in his intestines. There are billions of bacteria.
137
328000
3000
Гледате в неговата вътрешност. Има милиарди бактерии.
05:43
They're no good either.
138
331000
2000
Те също не вършат работа.
05:45
Double strand again, but inside them, they're infected with a virus
139
333000
2000
Отново двойна нишка, но вътре в тях, те са заразени с вирус,
05:47
that has a nice, long, single-stranded genome
140
335000
3000
който има хубав, дълъг, еднонишков геном,
05:50
that we can fold like a piece of paper.
141
338000
2000
който можем да прегънем като лист хартия,
05:52
And here's how we do it.
142
340000
1000
и ето как го правим.
05:53
This is part of that genome.
143
341000
1000
Това е част от този геном.
05:54
We add a bunch of short, synthetic DNAs that I call staples.
144
342000
3000
Добавяме част от кратки синтетични ДНК нишки, които наричам скоби.
05:57
Each one has a left half that binds the long strand in one place,
145
345000
4000
Всяка има лява половина, която свързва дългата нишка на едно място,
06:01
and a right half that binds it in a different place,
146
349000
3000
и дясна половина, която я свързва на друго място
06:04
and brings the long strand together like this.
147
352000
2000
и сближава дългата нишка ето така.
06:07
The net action of many of these on that long strand
148
355000
2000
Нетното въздействие на много такива къси нишки върху дългата нишка
06:09
is to fold it into something like a rectangle.
149
357000
2000
е да я нагънат в нещо като правоъгълник.
06:11
Now, we can't actually take a movie of this process,
150
359000
2000
Сега, ние не можем в действителност да заснемем филм на този процес,
06:13
but Shawn Douglas at Harvard
151
361000
2000
но Шон Дъглас от Харвард
06:15
has made a nice visualization for us
152
363000
2000
направи хубава визуализация за нас,
06:17
that begins with a long strand and has some short strands in it.
153
365000
4000
която започва с дълга нишка и има няколко кратки нишки.
06:21
And what happens is that we mix these strands together.
154
369000
4000
И това, което се случва е, че ние смесваме тези нишки.
06:25
We heat them up, we add a little bit of salt,
155
373000
2000
Нагряваме ги, добавяме малко сол,
06:27
we heat them up to almost boiling and cool them down,
156
375000
2000
нагряваме ги почти до точката на кипене и ги охлаждаме,
06:29
and as we cool them down,
157
377000
1000
и докато ги охлаждаме
06:30
the short strands bind the long strands
158
378000
2000
кратките нишки се свързват с дългите
06:32
and start to form structure.
159
380000
2000
и започват да формират структура,
06:34
And you can see a little bit of double helix forming there.
160
382000
3000
и можете да видите малка част от двойна спирала, която се формира там.
06:38
When you look at DNA origami,
161
386000
2000
Когато се вгледате в ДНК оригами,
06:40
you can see that what it really is,
162
388000
3000
можете да видите, че всъщност,
06:43
even though you think it's complicated,
163
391000
1000
въпреки че си мислите, че е сложно,
06:44
is a bunch of double helices that are parallel to each other,
164
392000
3000
това са просто купчина двойни спирали, които са паралелни една на друга
06:47
and they're held together
165
395000
2000
и са сглобени
06:49
by places where short strands go along one helix
166
397000
2000
на местата, където кратки нишки вървят по продължение на една спирала
06:51
and then jump to another one.
167
399000
2000
и след това скачат към друга.
06:53
So there's a strand that goes like this, goes along one helix and binds --
168
401000
3000
Така има една нишка, която върви по този начин, върви по продължение на една спирала и се свързва с --
06:56
it jumps to another helix and comes back.
169
404000
2000
скача до друга спирала и се връща,
06:58
That holds the long strand like this.
170
406000
2000
която държи дългата нишка по този начин.
07:00
Now, to show that we could make any shape or pattern
171
408000
3000
Сега, за да покажем, че можем да направим всяка форма или модел,
07:03
that we wanted, I tried to make this shape.
172
411000
2000
която искаме, аз се опитах да направя тази форма.
07:06
I wanted to fold DNA into something that goes up over the eye,
173
414000
2000
Исках да нагъна ДНК в нещо, което отива нагоре над очите,
07:08
down the nose, up the nose, around the forehead,
174
416000
3000
надолу до носа, нагоре от носа, около челото,
07:11
back down and end in a little loop like this.
175
419000
3000
обратно надолу и завършва в една малка примка ето така.
07:14
And so, I thought, if this could work, anything could work.
176
422000
3000
И така, мислех си, че ако това може да проработи, всичко може да проработи.
07:17
So I had the computer program design the short staples to do this.
177
425000
3000
Така че накарах компютърната програма да проектира кратките скоби, които да направят това.
07:20
I ordered them; they came by FedEx.
178
428000
2000
Поръчах ги, те дойдоха по FedEx.
07:22
I mixed them up, heated them, cooled them down,
179
430000
2000
Смесих ги, нагрях ги, охладих ги,
07:24
and I got 50 billion little smiley faces
180
432000
4000
и получих 50 милиарда малки усмихнати личица,
07:28
floating around in a single drop of water.
181
436000
2000
плаващи в една капка вода.
07:30
And each one of these is just
182
438000
2000
И всяко от тях е само
07:32
one-thousandth the width of a human hair, OK?
183
440000
4000
една хилядна част от широчината на човешки косъм, разбирате ли?
07:36
So, they're all floating around in solution, and to look at them,
184
444000
3000
Така че всички те плават в този разтвор, и за да ги разгледате,
07:39
you have to get them on a surface where they stick.
185
447000
2000
трябва да ги поставите на повърхност, където да залепнат.
07:41
So, you pour them out onto a surface
186
449000
2000
Така че ги изливаме върху повърхност
07:43
and they start to stick to that surface,
187
451000
2000
и те започват да полепват по тази повърхност,
07:45
and we take a picture using an atomic-force microscope.
188
453000
2000
и ги снимаме чрез атомно-силов микроскоп.
07:47
It's got a needle, like a record needle,
189
455000
2000
Той има игла, като звукозаписна игла,
07:49
that goes back and forth over the surface,
190
457000
2000
която се движи напред-назад върху повърхността,
07:51
bumps up and down, and feels the height of the first surface.
191
459000
3000
блъска се нагоре и надолу и чувства височината на първата повърхност.
07:54
It feels the DNA origami.
192
462000
2000
Чувства ДНК оригамито.
07:56
There's the atomic-force microscope working
193
464000
2000
Ето го атомно-силовия микроскоп в действие,
07:59
and you can see that the landing's a little rough.
194
467000
1000
и можете да видите, че повърхността е малко груба.
08:00
When you zoom in, they've got, you know,
195
468000
2000
Когато увеличавате, се вижда, че имат, нали се сещате,
08:02
weak jaws that flip over their heads
196
470000
1000
слаби челюсти, които се сгъват върху главите им
08:03
and some of their noses get punched out, but it's pretty good.
197
471000
3000
и някои от носовете са перфорирани, но изглеждат доста добре.
08:06
You can zoom in and even see the extra little loop,
198
474000
2000
Можете да увеличите и дори да видите допълнителната примчица
08:08
this little nano-goatee.
199
476000
2000
тази малка нано-козя брадичка.
08:10
Now, what's great about this is anybody can do this.
200
478000
3000
Сега, това, което е страхотно е, че всеки може да направи това.
08:13
And so, I got this in the mail about a year after I did this, unsolicited.
201
481000
4000
И така, година по-късно неочаквано получих по пощата ето това.
08:17
Anyone know what this is? What is it?
202
485000
3000
Някой знае ли какво е това? Какво е това?
08:20
It's China, right?
203
488000
2000
Това е Китай, нали?
08:22
So, what happened is, a graduate student in China,
204
490000
2000
И така, една студентка в Китай,
08:24
Lulu Qian, did a great job.
205
492000
2000
Лулу Чиан, е свършила страхотна работа.
08:26
She wrote all her own software
206
494000
2000
Написала е изцяло свой собствен софтуер
08:28
to design and built this DNA origami,
207
496000
2000
за проектирането и изграждането на това ДНК оригами,
08:30
a beautiful rendition of China, which even has Taiwan,
208
498000
3000
красиво изображение на Китай, което има дори и Тайван,
08:33
and you can see it's sort of on the world's shortest leash, right?
209
501000
3000
и можете да видите, че това е нещо като най-кратката каишка в света, нали?
08:36
(Laughter)
210
504000
2000
(Смях)
08:39
So, this works really well
211
507000
1000
Така че, това работи наистина добре
08:41
and you can make patterns as well as shapes, OK?
212
509000
2000
и можете да правите модели, както и форми, нали?
08:44
And you can make a map of the Americas and spell DNA with DNA.
213
512000
3000
И можете да направите картата на Америка и да напишете "ДНК" с ДНК.
08:47
And what's really neat about it --
214
515000
3000
И това, което е наистина готино --
08:50
well, actually, this all looks like nano-artwork,
215
518000
2000
ами, всъщност всичко това изглежда като нано-произведение на изкуството,
08:52
but it turns out that nano-artwork
216
520000
1000
но се оказва, че нано-произведението на изкуството
08:53
is just what you need to make nano-circuits.
217
521000
2000
е точно това, което ви трябва за да направите нано-схеми.
08:55
So, you can put circuit components on the staples,
218
523000
2000
Можете да поставите елементите на една електрическа верига на скобите,
08:57
like a light bulb and a light switch.
219
525000
2000
като електрическа крушка и ключ за лампа.
08:59
Let the thing assemble, and you'll get some kind of a circuit.
220
527000
3000
Оставете нещата да се подредят и ще получите някаква затворена верига.
09:02
And then you can maybe wash the DNA away and have the circuit left over.
221
530000
3000
И после може би може да измиете ДНК материала и да ви остане само веригата.
09:05
So, this is what some colleagues of mine at Caltech did.
222
533000
2000
Точнто това направиха колеги от Калифорнийския технологичен институт.
09:07
They took a DNA origami, organized some carbon nano-tubes,
223
535000
3000
Взеха ДНК оригами, организираха няколко въглеродни нано-тръби,
09:10
made a little switch, you see here, wired it up,
224
538000
2000
направиха малък превключвател, който виждате тук, свързаха го,
09:12
tested it and showed that it is indeed a switch.
225
540000
3000
изпитаха го и показаха, че това е наистина един прекъсвач.
09:15
Now, this is just a single switch
226
543000
2000
Сега, това е само един прекъсвач
09:17
and you need half a billion for a computer, so we have a long way to go.
227
545000
4000
за един компютър ви трябват половин милиард такива, така че има още какво да се направи.
09:21
But this is very promising
228
549000
2000
Но това е много обещаващо,
09:23
because the origami can organize parts just one-tenth the size
229
551000
5000
тъй като оригамито може да организира части само с една десета от размера
09:28
of those in a normal computer.
230
556000
1000
на тези в един нормален компютър.
09:29
So it's very promising for making small computers.
231
557000
3000
Така че това е много обещаващо за направата на малки компютри.
09:32
Now, I want to get back to that compiler.
232
560000
3000
Сега, искам да се върна към този компилатор.
09:35
The DNA origami is a proof that that compiler actually works.
233
563000
3000
ДНК оригамито е доказателство, че компилаторът действително работи.
09:39
So, you start with something in the computer.
234
567000
2000
Така че, започвате с нещо в компютъра.
09:41
You get a high-level description of the computer program,
235
569000
3000
Имате описание на най-високо равнище на компютърната програма,
09:44
a high-level description of the origami.
236
572000
2000
описание на най-високо равнище на оригамито.
09:46
You can compile it to molecules, send it to a synthesizer,
237
574000
3000
Можете да го компилирате до молекулно ниво, да го изпратите към синтезатор
09:49
and it actually works.
238
577000
1000
и това наистина работи.
09:50
And it turns out that a company has made a nice program
239
578000
4000
И се оказва, че една компания е направила хубава програма,
09:54
that's much better than my code, which was kind of ugly,
240
582000
2000
която е много по-добра от моя код, който беше малко грозен,
09:56
and will allow us to do this in a nice,
241
584000
1000
и тя ще ни позволи да правим това по хубав,
09:57
visual, computer-aided design way.
242
585000
2000
визуален, проектиран от компютър начин.
10:00
So, now you can say, all right,
243
588000
1000
Така че, сега може да се питате, добре,
10:01
why isn't DNA origami the end of the story?
244
589000
2000
защо не е ДНК оригамито краят на историята?
10:03
You have your molecular compiler, you can do whatever you want.
245
591000
2000
Имате си молекулярен компилатор, можете да правите каквото си искате.
10:05
The fact is that it does not scale.
246
593000
3000
Факт е, че той не е мащабируем.
10:08
So if you want to build a human from DNA origami,
247
596000
3000
Така че, ако искате да изградите човек от ДНК оригами,
10:11
the problem is, you need a long strand
248
599000
2000
проблемът е, че имате нужда от дълга нишка,
10:13
that's 10 trillion trillion bases long.
249
601000
3000
която е 10 трилиона трилиона бази дълга.
10:16
That's three light years' worth of DNA,
250
604000
2000
Това са три светлинни години ДНК,
10:18
so we're not going to do this.
251
606000
2000
така че ние няма да направим това.
10:20
We're going to turn to another technology,
252
608000
2000
Ще се обърнем към друга технология,
10:22
called algorithmic self-assembly of tiles.
253
610000
2000
наречена алгоритмично самостоятелно сглобяване на плочки.
10:24
It was started by Erik Winfree,
254
612000
2000
Беше създадена от Ерик Уинфрии,
10:26
and what it does,
255
614000
1000
и това, което прави е,
10:27
it has tiles that are a hundredth the size of a DNA origami.
256
615000
4000
че има плочки, които са една стотна от големината на ДНК оригами.
10:31
You zoom in, there are just four DNA strands
257
619000
2000
Ако увеличите, има само четири ДНК нишки,
10:34
and they have little single-stranded bits on them
258
622000
2000
и те имат малки еднонишкови парченца на тях,
10:36
that can bind to other tiles, if they match.
259
624000
2000
които могат да се свържат с други плочки, ако те съвпаднат.
10:38
And we like to draw these tiles as little squares.
260
626000
3000
И ние обичаме да чертаем тези плочки като малки квадратчета.
10:42
And if you look at their sticky ends, these little DNA bits,
261
630000
2000
И ако се вгледате в техните прилепващи краища, тези малки парчета ДНК,
10:44
you can see that they actually form a checkerboard pattern.
262
632000
3000
можете да видите, че те всъщност образуват модел като шахматна дъска.
10:47
So, these tiles would make a complicated, self-assembling checkerboard.
263
635000
3000
Така че, тези плочки ще направят сложна, самостоятелно сглобена шахматна дъска.
10:50
And the point of this, if you didn't catch that,
264
638000
2000
И целта на това е, ако не разбрахте,
10:52
is that tiles are a kind of molecular program
265
640000
3000
че плочите са нещо като молекулярна програма,
10:55
and they can output patterns.
266
643000
3000
и те могат да образуват модели.
10:58
And a really amazing part of this is
267
646000
2000
И най-невероятното е,
11:00
that any computer program can be translated
268
648000
2000
че всяка компютърна програма може да бъде преведена
11:02
into one of these tile programs -- specifically, counting.
269
650000
3000
в една от тези плочки-програми -- по-специално, броенето.
11:05
So, you can come up with a set of tiles
270
653000
3000
Така че, можете да измислите набор от плочки,
11:08
that when they come together, form a little binary counter
271
656000
3000
така че когато се съберат, образуват малък двоичен брояч,
11:11
rather than a checkerboard.
272
659000
2000
вместо шахматна дъска.
11:13
So you can read off binary numbers five, six and seven.
273
661000
3000
Така че можете да четете двоичните числа пет, шест и седем.
11:16
And in order to get these kinds of computations started right,
274
664000
3000
И за да започнете този вид изчисления правилно,
11:19
you need some kind of input, a kind of seed.
275
667000
2000
ви трябва някакъв вид вход, някакъв вид семена.
11:21
You can use DNA origami for that.
276
669000
2000
Можете да използвате ДНК оригами за това.
11:23
You can encode the number 32
277
671000
2000
Може да кодирате числото 32
11:25
in the right-hand side of a DNA origami,
278
673000
2000
в дясната страна на ДНК оригами
11:27
and when you add those tiles that count,
279
675000
2000
и когато добавите тези плочки, които се броят,
11:29
they will start to count -- they will read that 32
280
677000
3000
те ще започнат да броят, ще прочетат това 32
11:32
and they'll stop at 32.
281
680000
2000
и ще спрат на 32.
11:34
So, what we've done is we've figured out a way
282
682000
3000
Така че, това което направихме беше да измислим начин
11:37
to have a molecular program know when to stop going.
283
685000
3000
молекулярната програма да знае кога да спре да расте.
11:40
It knows when to stop growing because it can count.
284
688000
2000
Тя знае кога да спре да расте, понеже може да брои.
11:42
It knows how big it is.
285
690000
2000
Тя знае колко е голяма.
11:44
So, that answers that sort of first question I was talking about.
286
692000
3000
Така че това отговоря в известна степен на първия въпрос, по който говорих.
11:47
It doesn't tell us how babies do it, however.
287
695000
3000
Не ни казва, обаче, как го правят бебетата.
11:50
So now, we can use this counting to try and get at much bigger things
288
698000
4000
Така че сега можем да използваме това броене и да се опитаме да получим по-големи неща,
11:54
than DNA origami could otherwise.
289
702000
1000
отколкото ДНК оригами може да получи иначе.
11:55
Here's the DNA origami, and what we can do
290
703000
3000
Ето едно ДНК оригами и това, което можем да направим
11:58
is we can write 32 on both edges of the DNA origami,
291
706000
3000
е да напишем 32 в двата му края
12:01
and we can now use our watering can
292
709000
2000
и сега можем да използваме нашата лейка
12:03
and water with tiles, and we can start growing tiles off of that
293
711000
4000
и да напояваме с плочки, и можем да започнем да отглеждаме плочки
12:07
and create a square.
294
715000
2000
от това и да създадем един квадрат.
12:09
The counter serves as a template
295
717000
3000
Броячът служи като шаблон,
12:12
to fill in a square in the middle of this thing.
296
720000
2000
за да запълним квадрат в центъра на това нещо.
12:14
So, what we've done is we've succeeded
297
722000
1000
Така че това, което направихме е, че ние успяхме
12:15
in making something much bigger than a DNA origami
298
723000
3000
да направим нещо много по-голямо от ДНК оригами,
12:18
by combining DNA origami with tiles.
299
726000
3000
съчетавайки ДНК оригами с плочки.
12:21
And the neat thing about it is, is that it's also reprogrammable.
300
729000
3000
И хубавото е, че то също е препрограмируемо.
12:24
You can just change a couple of the DNA strands in this binary representation
301
732000
4000
Можете да промените няколко ДНК нишки в това двоично представяне
12:28
and you'll get 96 rather than 32.
302
736000
3000
и ще получите 96 вместо 32.
12:31
And if you do that, the origami's the same size,
303
739000
3000
И ако го направите, оригамито ще бъде със същия размер,
12:34
but the resulting square that you get is three times bigger.
304
742000
4000
но полученият квадрат ще е три пъти по-голям.
12:39
So, this sort of recapitulates
305
747000
1000
Така че това обобщава,
12:40
what I was telling you about development.
306
748000
2000
това, което ви казвах за развитието.
12:42
You have a very sensitive computer program
307
750000
3000
Имате много чувствителна компютърна програма,
12:45
where small changes -- single, tiny, little mutations --
308
753000
3000
където малките промени -- единични, мънички, малки мутации --
12:48
can take something that made one size square
309
756000
2000
могат да вземат нещо, което образува квадрат в един мащаб,
12:50
and make something very much bigger.
310
758000
3000
и да направят нещо много по-голямо.
12:54
Now, this -- using counting to compute
311
762000
3000
Сега, това използване на броене за да се изчисляват
12:57
and build these kinds of things
312
765000
2000
и изграждат такива неща
12:59
by this kind of developmental process
313
767000
2000
чрез този вид процес на развитие
13:01
is something that also has bearing on Craig Venter's question.
314
769000
4000
е нещо, което също има отношение към въпроса на Крейг Вентър.
13:05
So, you can ask, how many DNA strands are required
315
773000
2000
Така че можете да попитате, колко ДНК нишки са необходими
13:07
to build a square of a given size?
316
775000
2000
за изграждане на квадрат с определен размер?
13:09
If we wanted to make a square of size 10, 100 or 1,000,
317
777000
5000
Ако искахме да направим квадрат с големина 10, 100 или 1000,
13:14
if we used DNA origami alone,
318
782000
2000
ако използваме само ДНК оригами,
13:16
we would require a number of DNA strands that's the square
319
784000
3000
ще ни трябват толкова на брой ДНК нишки, колкото е квадрата
13:19
of the size of that square;
320
787000
2000
на големината на този квадрат,
13:21
so we'd need 100, 10,000 or a million DNA strands.
321
789000
2000
така че ще ни трябват 100, 10 000 или един милион ДНК нишки.
13:23
That's really not affordable.
322
791000
2000
Това наистина не е достъпно.
13:25
But if we use a little computation --
323
793000
2000
Но ако използваме малко изчисление --
13:27
we use origami, plus some tiles that count --
324
795000
4000
използваме оригами, плюс някои плочки, които се броят --
13:31
then we can get away with using 100, 200 or 300 DNA strands.
325
799000
3000
тогава можем да се разминем с използване на 100, 200 или 300 ДНК нишки.
13:34
And so we can exponentially reduce the number of DNA strands we use,
326
802000
5000
И така можем експоненциално да намалим броя на ДНК нишките, които използваме,
13:39
if we use counting, if we use a little bit of computation.
327
807000
3000
ако използваме броене, ако използвме малко изчисление.
13:42
And so computation is some very powerful way
328
810000
3000
И така изчисляването е един много мощен начин
13:45
to reduce the number of molecules you need to build something,
329
813000
3000
за намаляване на броя на молекулите, от които се нуждаете за да изградите нещо,
13:48
to reduce the size of the genome that you're building.
330
816000
3000
за намаляване размера на генома, който правите.
13:51
And finally, I'm going to get back to that sort of crazy idea
331
819000
3000
И накрая, ще се върна отново към тази един вид луда идея,
13:54
about computers building computers.
332
822000
2000
за компютрите, изграждащи компютри.
13:56
If you look at the square that you build with the origami
333
824000
3000
Ако погледнете квадрата, който изграждате с оригамито
13:59
and some counters growing off it,
334
827000
2000
и някои броячи растящи от него,
14:01
the pattern that it has is exactly the pattern that you need
335
829000
3000
модела, по който е образуван е точно като модела, който ви трябва
14:04
to make a memory.
336
832000
1000
за да направите памет.
14:05
So if you affix some wires and switches to those tiles --
337
833000
3000
Така че, ако поставите няколко жички и ключове към тези плочки,
14:08
rather than to the staple strands, you affix them to the tiles --
338
836000
3000
вместо към скобите на нишките, вие ги поставяте към плочките,
14:11
then they'll self-assemble the somewhat complicated circuits,
339
839000
3000
след това те се сглобяват самостоятелно в малко сложни схеми --
14:14
the demultiplexer circuits, that you need to address this memory.
340
842000
3000
де-мултиплексор схемите, от които се нуждаете за адресиране на тази памет.
14:17
So you can actually make a complicated circuit
341
845000
2000
Така че всъщност можете да направите сложна схема,
14:19
using a little bit of computation.
342
847000
2000
с помощта на малко изчисляване.
14:21
It's a molecular computer building an electronic computer.
343
849000
3000
Това е молекулярен компютър, който изгражда електронен компютър.
14:24
Now, you ask me, how far have we gotten down this path?
344
852000
3000
Сега, вие ме питате, колко сме напреднали в тази посока?
14:27
Experimentally, this is what we've done in the last year.
345
855000
3000
Експериментално това е, което сме направили през последната година.
14:30
Here is a DNA origami rectangle,
346
858000
2000
Това е правоъгълно ДНК оригами,
14:33
and here are some tiles growing from it.
347
861000
2000
а ето и някои плочки, растящи от него.
14:35
And you can see how they count.
348
863000
2000
И можете да видите как те броят.
14:37
One, two, three, four, five, six, nine, 10, 11, 12, 17.
349
865000
12000
1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 17
14:49
So it's got some errors, but at least it counts up.
350
877000
4000
Е, има някои грешки, но поне може да брои.
14:53
(Laughter)
351
881000
1000
(Смях)
14:54
So, it turns out we actually had this idea nine years ago,
352
882000
3000
Оказва се, че всъщност тази идея ни е дошла преди девет години
14:57
and that's about the time constant for how long it takes
353
885000
3000
и това е приблизително времевата константа, за това колко време е необходимо
15:00
to do these kinds of things, so I think we made a lot of progress.
354
888000
2000
да се направят неща от този род, така че аз мисля, че сме напреднали доста.
15:02
We've got ideas about how to fix these errors.
355
890000
2000
Имаме идеи как да коригираме тези грешки.
15:04
And I think in the next five or 10 years,
356
892000
2000
И мисля, че през следващите пет или десет години,
15:06
we'll make the kind of squares that I described
357
894000
2000
ще направим вида квадрати, които описах
15:08
and maybe even get to some of those self-assembled circuits.
358
896000
3000
а може би дори ще стигнем до някои от тези самостоятелно сглобени схеми.
15:11
So now, what do I want you to take away from this talk?
359
899000
4000
Така че сега, какво искам да запомните от този разговор?
15:15
I want you to remember that
360
903000
2000
Искам да запомните, че
15:17
to create life's very diverse and complex forms,
361
905000
4000
за да създаде многото разнообразни и сложни жизнени форми,
15:21
life uses computation to do that.
362
909000
2000
животът използва изчисления.
15:23
And the computations that it uses, they're molecular computations,
363
911000
4000
И изчисленията, които използва, са молекулярни изчисления,
15:27
and in order to understand this and get a better handle on it,
364
915000
2000
и за да се разбере това и за да се управлява по-добре,
15:29
as Feynman said, you know,
365
917000
2000
както Файнман казва, знаете ли,
15:31
we need to build something to understand it.
366
919000
2000
трябва да изградим нещо, за да го разберем.
15:33
And so we are going to use molecules and refashion this thing,
367
921000
4000
И така ние ще използваме молекули и ще ремоделираме това нещо,
15:37
rebuild everything from the bottom up,
368
925000
2000
ще построим отново всичко от основи,
15:39
using DNA in ways that nature never intended,
369
927000
3000
използвайки ДНК по начини, които природата никога не е планирала,
15:42
using DNA origami,
370
930000
2000
използвайки ДНК оригами,
15:44
and DNA origami to seed this algorithmic self-assembly.
371
932000
3000
и ДНК оригами за да засеем това алгоритмично самостоятелно сглобяване.
15:47
You know, so this is all very cool,
372
935000
2000
Така че всичко това е много готино,
15:50
but what I'd like you to take from the talk,
373
938000
1000
но това, което бих искал да запомните от този разговор,
15:51
hopefully from some of those big questions,
374
939000
2000
надявам се от някои от тези големи въпроси,
15:53
is that this molecular programming isn't just about making gadgets.
375
941000
3000
е, че това молекулярно програмиране не е само за правене на джаджи.
15:56
It's not just making about --
376
944000
2000
Не е само за правене на --
15:58
it's making self-assembled cell phones and circuits.
377
946000
2000
правене на самостоятелно сглобяващи се мобилни телефони и схеми.
16:00
What it's really about is taking computer science
378
948000
2000
Това, за което наистина става дума е да вземем компютърната наука
16:02
and looking at big questions in a new light,
379
950000
3000
и да се преразгледаме големите въпроси в нова светлина,
16:05
asking new versions of those big questions
380
953000
2000
да си зададем нови варианти на тези големи въпроси,
16:07
and trying to understand how biology
381
955000
2000
и да се опитаме да разберем как биологията
16:09
can make such amazing things. Thank you.
382
957000
2000
може да прави такива невероятни неща. Благодаря.
16:12
(Applause)
383
960000
7000
(Ръкопляскания)
ABOUT THE SPEAKER
Paul Rothemund - DNA origamistPaul 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.
Paul Rothemund | Speaker | TED.com