TED2007
Paul Rothemund: Playing with DNA that self-assembles
Paul Rothemund zaubert mit der DNA
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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.
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
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There's an ancient and universal concept that words have power,
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Eine uralte und universelle Auffassung besagt, dass Worte Macht besitzen,
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that spells exist, and that if we could only pronounce the right words,
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dass es Zaubersprüche gibt, bei denen man nur die richtigen Wörter aussprechen muss,
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then -- whooosh -- you know, an avalanche would come
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wodurch, woooooosh! Ihr wisst schon, eine Lawine ausgelöst wird
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and wipe out the hobbits, right? So this is a very attractive idea
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und die Hobbits weggefegt werden. Das ist doch eine verlockende Vorstellung,
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because we're very lazy, like the sorcerer's apprentice,
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weil wir ja sehr faul sind, wie der Zauberlehrling,
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or the world's greatest computer programmer.
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oder wie der beste Programmierer der Welt.
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And so this idea has a lot of traction with us.
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Diese Vorstellung ist also sehr verlockend für uns.
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We love the idea that words, when pronounced --
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Wir lieben die Idee, dass Wörter, wenn ausgesprochen -
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they're just little more than pure information,
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obwohl eigentlich nicht viel mehr als reine Information -
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but they evoke some physical action
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in der Realität doch Reaktionen hervorrufen,
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in the real world that helps us do work.
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die uns bei der Arbeit helfen.
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And so, of course, with lots of programmable computers
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Und natürlich, bei so vielen programmierbaren Computern
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and robots around this is an easy thing to picture.
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und Robotern um uns herum ist es leicht, sich das vorzustellen.
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So how many of you know what I'm talking about?
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Wie viele von euch wissen, wovon ich hier spreche?
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Raise your right hand. OK. How many 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 talking about? Raise your left hand.
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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 easy.
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Alles klar. Prima. Das war also zu einfach.
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You guys have very insecure computers, 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 different kind of spell.
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Nun, das ist jetzt eine andere Art von Zauberei.
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This is a computer program made of zeros and ones.
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Das ist ein Computerprogramm aus Nullen und Einsen.
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It can be pronounced on a computer. 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 important thing is we can write it in a high-level language.
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Das Wichtigste ist, dass wir es in einer Programmiersprache schreiben können.
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A computer magician can write this thing.
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Ein Computer-Zauberer kann das schreiben.
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It can be compiled into this -- into zeros and ones --
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Es kann zu so was zusammengestellt werden – in Nullen und Einsen -
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and pronounced by a computer.
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und durch einen Computer gelesen werden.
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And that's what makes computers powerful:
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Und das macht die Computer so leistungsstark:
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these high-level languages that can be compiled.
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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 computer
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Und nun bin ich hier, um euch zu erzählen, dass man keinen Computer braucht,
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to actually have a spell. In fact, what you can do
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um einen Zauberspruch zu erhalten. Tatsächlich kann man
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at the molecular level is that if you encode information --
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auf molekularem Niveau Informationen so kodieren -
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you encode a spell or program as molecules --
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man kodiert einen Zauberspruch oder ein Programm als Moleküle -
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then physics can actually directly interpret that information
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dann kann die Physik diese Informationen direkt übersetzen
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and run a program. That's what happens in proteins.
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und ein Programm ablaufen lassen. Genau das geschieht in den Proteinen.
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When this amino acid sequence gets pronounced as atoms,
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Wenn diese Aminosäuresequenz als Atome gelesen wird,
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these little letters are sticky for each other.
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kleben diese Buchstaben aneinander.
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It collapses into a three-dimensional shape that turns it into
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Es kollabiert in eine dreidimensionale Struktur, so dass es sich in
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a nanomachine that actually cuts DNA.
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eine DNA-schneidende Nanomaschine umwandelt.
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And the interesting thing is that if you change the sequence,
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Und das Interessante dabei ist, dass bei einer Veränderung der Sequenz
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you change the three-dimensional folding.
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auch die dreidimensionale Struktur verändert wird.
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You get now a DNA stapler instead. These are the kind of
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Dann bekommt man stattdessen einen "DNA-Tacker". Das sind die Arten von
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molecular programs that we want to be able to write,
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molekularen Programmen, die wir schreiben können wollen.
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but the problem is, we don't know the machine language of
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Aber das Problem ist, dass wir die Maschinensprache der
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proteins. We don't have a compiler for proteins.
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Proteine nicht kennen; es gibt keine Umwandlungsmaschinen für Proteine.
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So I've joined a growing band of people that try to make
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Deshalb habe ich mich einer immer größer werdenden Gruppevon Leuten angeschlossen, die versuchen
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molecular spells using DNA. We use DNA because it's cheaper.
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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 easier to handle. It's something that we understand really well.
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Und deren Handhabung ist einfacher. Es ist etwas, was wir schon ziemlich gut verstehen.
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We understand it so well, in fact, that we think we can actually write
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Wir verstehen es tatsächlich schon so gut, dass wir glauben, wir können wirklich schon
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programming languages for DNA and have molecular compilers.
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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 question doing this --
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Wie gesagt, wir denken, wir können das. Und meine erste Frage -
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or one of my questions doing this -- was how can you make
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oder eine meiner Fragen – war: Wie kann man
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an arbitrary shape or pattern out of DNA? And I decided to use
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x-beliebige Formen oder Muster aus DNA machen? Und ich entschied mich
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a type of DNA origami, where you take a long strand of DNA
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eine Art von DNA-Origami zu benutzen, wobei man einen langen DNA-Strang nimmt
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and fold it into whatever shape or pattern you might want.
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und ihn in eine beliebige Form oder Muster faltet, ganz wie man will.
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So here's a shape. I actually spent about a year in my home,
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Hier ist so eine Form. Tatsächlich habe ich etwa ein Jahr lang zu Hause
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in my underwear, coding, like Linus [Torvalds], in that picture before.
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kodierend in meiner Unterwäsche verbracht, so wie Linus [Torvalds] auf einem der vorherigen Bilder.
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And this program takes a shape, spits out 250 DNA sequences.
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Dieses Programm bekommt eine Form und spuckt dann 250 DNA-Sequenzen aus.
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These short DNA sequences are what are going to fold the long strand
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Diese kurzen DNA-Sequenzen dienen dazu, dass die langen Stränge sich
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into this shape that we want to make. So you send an e-mail
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in die Form falten, die wir wollen. Man sendet eine Email
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with these sequences in it to a company, and what it does --
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mit diesen Sequenzen an eine Firma,
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the company pronounces them on a DNA synthesizer.
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und die Firma überträgt sie auf einen DNA-Synthesizer.
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It's a machine about the size of a photocopier. And what happens is,
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Das ist eine Maschine so ungefähr von der Größe eines Fotokopierers. Und was passiert, ist,
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they take your e-mail and every letter in your e-mail,
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dass sie jeden Buchstaben in dieser Email nehmen und
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they replace with 30-atom cluster -- one for each letter,
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ihn in ein Cluster aus 30 Atomen verwandeln, für jeden Buchstaben eins,
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A, T, C, and G in DNA. They string them up in the right sequence,
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A, T, C und G für die DNA. Sie binden sie in der richtigen Reihenfolge zusammen ,
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and then they send them back to you via FedEx.
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und senden sie per Kurierdienst zurück.
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So you get 250 of these in the mail in little tubes.
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So bekommt man 250 kleine Röhrchen per Post.
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I mix them together, add a little bit of salt water,
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Ich mische sie zusammen, füge ein wenig Salzwasser dazu,
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and then add this long strand I was telling you about,
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und gebe diesen langen Strang dazu, den ich erwähnt habe,
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that I've stolen from a virus. And then what happens is,
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den ich von einem Virus gestohlen habe. Und dann
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you heat this whole thing up to about boiling. You cool it down
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erhitzt man das Ganze fast bis zum Sieden. Man kühlt es
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to room temperature, and as you do,
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auf Raumtemperatur ab, und während dessen
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what happens is those short strands, they do the following thing:
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passiert Folgendes mit den kurzen Strängen:
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each one of them binds that long strand in one place,
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Jeder einzelne von ihnen bindet diesen langen Strang an einer Stelle
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and then has a second half that binds that long strand
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und bindet mit der zweite Hälfte den langen Strang
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in a distant place, and brings those two parts of the long strand
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an einer weiter entfernt liegenden Stelle, so dass zwei Teile des langen Strangs
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close together so that they stick together.
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aneinander schließen, sodass sie zusammenkleben.
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And so the net effect of all 250 of these strands is to fold
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Und das Nettoergebnis dieser 250 Stränge ist,
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the long strand into the shape that you're looking for.
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den langen Strang in die Form zu bringen, die wir wollen;
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It'll approximate that shape. We do this for real in the test tube.
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er wird sich an die Form angleichen. In Wirklichkeit machen wir das in einem Reagenzglas.
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In each little drop of water you get 50 billion of these guys.
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In jedem Wassertropfen erhält man 50 Milliarden dieser Typen.
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You can look with a microscope and see them on a surface.
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Man kann sich ihre Oberfläche mit einem Mikroskop anschauen.
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And the neat thing is that if you change the sequence
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Und das Tolle daran ist, dass man dann, wenn man die Sequenz ändert
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and change the spell, you just change the sequence of the staples.
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und den Zauberspruch ändert, auch die Sequenz dieser Verbindungen ändert.
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You can make a molecule that looks like this, and, you know,
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Man kann ein Molekül machen, das so aussieht, und
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he likes to hang out with his buddies, right.
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es hängt nämlich ganz gern mit seinen Kumpels herum.
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And a lot of them are actually pretty good.
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Und viele von denen sind wirklich ziemlich gut.
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If you change the spell again, you change the sequence again.
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Wenn man den Zauberspruch wieder ändert, ändert man wieder die Sequenz.
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You get really nice 130 nanometer triangles. If you do it again,
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Man bekommt schöne Dreiecke von 130 Nanometer Größe. Wenn man es wieder ändert,
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you can get arbitrary patterns. So on a rectangle
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kriegt man x-beliebige Muster. So kann man auf einem Rechteck
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you can paint patterns of North and South America, or the words, "DNA."
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die Muster von Nord- und Südamerika oder die Buchstaben “DNA” malen.
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So that's DNA origami. That's one way. There are many ways
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Das also ist DNA-Origami. Das ist nur eine von vielen Möglichkeiten,
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of casting molecular spells using DNA.
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mit der DNA auf der Molekularebene zu zaubern.
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What we really want to do in the end is learn how to program
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Was wir am Ende wirklich erreichen wollen, ist zu lernen, wie wir
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self-assembly so that we can build anything, right?
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die Selbstanordnung so programmieren, dass wir alles Mögliche formen können.
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We want to be able to build technological artifacts
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Wir möchten technologische Artefakte bauen können,
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that are maybe good for the world. We want to learn
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die für die Welt von Nutzen sein könnten. Wir möchten lernen,
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how to build biological artifacts, like people and whales and trees.
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wie man biologische Artefakte baut, z.B. Menschen, Wale und Bäume.
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And if it's the case that we can reach that level of complexity,
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Und falls wir dieses Niveau der Komplexität erreichen können,
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if our ability to program molecules gets to be that good,
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wenn unsere Fähigkeit, solche Moleküle zu programmieren, wirklich so gut wird,
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then that will truly be magic. Thank you very much.
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dann ist das wirkliche Magie. Vielen Dank.
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(Applause)
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(Applaus)
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