TED2008
Paul Rothemund: DNA folding, in detail
ポール・ロスマンドが語るDNAの折り方
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2007年、ポール・ロスマンドはTEDで彼の専門分野であるDNA折り紙について短いトークをしました。今回のトークでは自己組織化する最小規模の機械を作るという、今後有望なこの分野について、豊富な事例を交えながら展望します。
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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00:12
So, people argue vigorously about the definition of life.
0
0
3000
我々は生命の定義付けをしたがります
00:15
They ask if it should have reproduction in it, or metabolism, or evolution.
1
3000
5000
生命とは生殖 代謝 進化でしょうか
00:20
And I don't know the answer to that, so I'm not going to tell you.
2
8000
2000
私には答えがないので話せません
00:22
I will say that life involves computation.
3
10000
3000
生命には計算が付き物だとは言えます
00:25
So this is a computer program.
4
13000
2000
これがコンピューター・プログラムです
00:27
Booted up in a cell, the program would execute,
5
15000
3000
細胞内でプログラムは起動し実行します
00:30
and it could result in this person;
6
18000
3000
その結果この人になります
00:33
or with a small change, it could result in this person;
7
21000
3000
少し変われば この人になります
00:36
or another small change, this person;
8
24000
2000
もう少し変われば この人になります
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or with a larger change, this dog,
9
26000
3000
さらに大きく変われば犬や
00:41
or this tree, or this whale.
10
29000
2000
木 クジラ になります
00:43
So now, if you take this metaphor
11
31000
2000
ゲノムをプログラムに
00:45
[of] genome as program seriously,
12
33000
2000
例えれば
00:47
you have to consider that Chris Anderson
13
35000
2000
クリス・アンダーセン
ジム・ワトソン
ジム・ワトソン
00:49
is a computer-fabricated artifact, as is Jim Watson,
14
37000
3000
クレイグ・ヴェンダーや
私たちは皆
私たちは皆
00:52
Craig Venter, as are all of us.
15
40000
3000
コンピューターが作った既製品と言えます
00:55
And in convincing yourself that this metaphor is true,
16
43000
2000
この例えのとおり
00:57
there are lots of similarities between genetic programs
17
45000
2000
遺伝子プログラムと
コンピュータープログラムには
コンピュータープログラムには
00:59
and computer programs that could help to convince you.
18
47000
3000
多くの類似性があります
01:02
But one, to me, that's most compelling
19
50000
2000
特に説得力があるのは
01:04
is the peculiar sensitivity to small changes
20
52000
3000
小さな変化が生物学的発達の過程で
01:07
that can make large changes in biological development -- the output.
21
55000
3000
大きな違いを生みだすことです
01:10
A small mutation can take a two-wing fly
22
58000
2000
小さな突然変異が２枚翅のハエを
４枚翅にします
４枚翅にします
01:12
and make it a four-wing fly.
23
60000
1000
小さな突然変異が２枚翅のハエを
４枚翅にします
４枚翅にします
01:13
Or it could take a fly and put legs where its antennae should be.
24
61000
4000
触覚が生えるべき所に足が生えたりします
01:17
Or if you're familiar with "The Princess Bride,"
25
65000
2000
”プリンセス・ブライド” みたいに
01:19
it could create a six-fingered man.
26
67000
2000
６本指を持つ人が現れます
01:21
Now, a hallmark of computer programs
27
69000
2000
このコンピュータープログラムの特徴は
01:23
is just this kind of sensitivity to small changes.
28
71000
3000
小さな変化にも敏感なことです
01:26
If your bank account's one dollar, and you flip a single bit,
29
74000
2000
銀行口座の１ビットを変えるだけで
01:28
you could end up with a thousand dollars.
30
76000
2000
１ドル を千ドルに変えられます
01:30
So these small changes are things that I think
31
78000
3000
これら小さな違いは発達中に
01:33
that -- they indicate to us that a complicated computation
32
81000
2000
複雑な計算が行われるために
01:35
in development is underlying these amplified, large changes.
33
83000
4000
増幅され大きな違いに結びつくと考えられます
01:39
So now, all of this indicates that there are molecular programs underlying biology,
34
87000
6000
生物学でも基盤となる分子プログラムが存在し
01:45
and it shows the power of molecular programs -- biology does.
35
93000
4000
そのプログラムの威力が発揮されています
01:49
And what I want to do is write molecular programs,
36
97000
2000
私は分子プログラムを書く
テクノロジーを確立しようと思っています
テクノロジーを確立しようと思っています
01:51
potentially to build technology.
37
99000
2000
私は分子プログラムを書く
テクノロジーを確立しようと思っています
テクノロジーを確立しようと思っています
01:53
And there are a lot of people doing this,
38
101000
1000
多くの科学者が参加しており その多くは
クレイグ・ヴェンターなど合成生物学者です
クレイグ・ヴェンターなど合成生物学者です
01:54
a lot of synthetic biologists doing this, like Craig Venter.
39
102000
3000
多くの科学者が参加しており その多くは
クレイグ・ヴェンターなど合成生物学者です
クレイグ・ヴェンターなど合成生物学者です
01:57
And they concentrate on using cells.
40
105000
2000
彼らは細胞を用いることに注目しています
01:59
They're cell-oriented.
41
107000
2000
彼らは細胞重視派です
02:01
So my friends, molecular programmers, and I
42
109000
2000
友人の分子プログラマーと私は
02:03
have a sort of biomolecule-centric approach.
43
111000
2000
生体分子に注目しています
02:05
We're interested in using DNA, RNA and protein,
44
113000
3000
私たちは DNA RNA そして蛋白質に着目して
02:08
and building new languages for building things from the bottom up,
45
116000
3000
生体分子を用いた新しい言語を
02:11
using biomolecules,
46
119000
1000
一から作り上げようとしています
生物学とは無関係かもしれません
生物学とは無関係かもしれません
02:12
potentially having nothing to do with biology.
47
120000
3000
一から作り上げようとしています
生物学とは無関係かもしれません
生物学とは無関係かもしれません
02:15
So, these are all the machines in a cell.
48
123000
4000
これらは細胞内の機械です
02:19
There's a camera.
49
127000
2000
カメラがあります
02:21
There's the solar panels of the cell,
50
129000
1000
細胞のソーラーパネル
02:22
some switches that turn your genes on and off,
51
130000
2000
遺伝子のオン・オフを担うスイッチ
02:24
the girders of the cell, motors that move your muscles.
52
132000
3000
細胞の桁や 筋肉の動力部
02:27
My little group of molecular programmers
53
135000
2000
私の分子プログラマー班は
02:29
are trying to refashion all of these parts from DNA.
54
137000
4000
DNAからこれら全てのパーツを作り直そうとしています
02:33
We're not DNA zealots, but DNA is the cheapest,
55
141000
2000
私たちはDNA狂信者ではありませんが
02:35
easiest to understand and easy to program material to do this.
56
143000
3000
DNAは安価で最も分かりやすく
かつプログラムが容易です
かつプログラムが容易です
02:38
And as other things become easier to use --
57
146000
2000
蛋白質等の他の物質も
02:40
maybe protein -- we'll work with those.
58
148000
3000
たやすく利用できるようになれば使うでしょう
02:43
If we succeed, what will molecular programming look like?
59
151000
2000
分子プログラミングが成功するとこうなります
02:45
You're going to sit in front of your computer.
60
153000
2000
コンピューターの前に座り
02:47
You're going to design something like a cell phone,
61
155000
2000
携帯でもデザインします
02:49
and in a high-level language, you'll describe that cell phone.
62
157000
2000
高級言語で携帯を定義します
02:51
Then you're going to have a compiler
63
159000
2000
そしてその定義を理解する
02:53
that's going to take that description
64
161000
1000
コンパイラを使い
02:54
and it's going to turn it into actual molecules
65
162000
2000
実際の分子に変換し
02:56
that can be sent to a synthesizer
66
164000
2000
合成装置に送り
02:58
and that synthesizer will pack those molecules into a seed.
67
166000
3000
合成装置が分子を紡いで種を作ります
03:01
And what happens if you water and feed that seed appropriately,
68
169000
3000
その種に適切な水と肥料を与えると
03:04
is it will do a developmental computation,
69
172000
2000
種が発育過程を分子計算し
03:06
a molecular computation, and it'll build an electronic computer.
70
174000
3000
電子コンピューターを作り始めます
03:09
And if I haven't revealed my prejudices already,
71
177000
2000
私の偏見によれば
03:12
I think that life has been about molecular computers
72
180000
2000
生命とは分子コンピューターが
03:14
building electrochemical computers,
73
182000
2000
電気生化学的コンピューターを作り
03:16
building electronic computers,
74
184000
2000
電気生化学的コンピューターと共に
03:18
which together with electrochemical computers
75
186000
2000
電子コンピューターを作り
03:20
will build new molecular computers,
76
188000
2000
新しい分子コンピューターを作り
03:22
which will build new electronic computers, and so forth.
77
190000
3000
さらに新たな電子コンピューターが作られるのです
03:25
And if you buy all of this,
78
193000
1000
この理論を信じれば
03:26
and you think life is about computation, as I do,
79
194000
2000
皆さんも生命は計算だと思うでしょう
03:28
then you look at big questions through the eyes of a computer scientist.
80
196000
3000
そしてコンピューター科学者の目で
大いなる問題に着目するでしょう
大いなる問題に着目するでしょう
03:31
So one big question is, how does a baby know when to stop growing?
81
199000
4000
赤ん坊はいつ成長を止めるべきか
いかに知っているのか?
いかに知っているのか?
03:35
And for molecular programming,
82
203000
2000
分子プログラミングの問題は携帯が
03:37
the question is how does your cell phone know when to stop growing?
83
205000
2000
いつ成長を止めるべきか
いかに知るのでしょう?
いかに知るのでしょう?
03:39
(Laughter)
84
207000
1000
(笑)
03:40
Or how does a computer program know when to stop running?
85
208000
3000
コンピューター・プログラムはいつ実行を
止めるべきか いかに知るのでしょう?
止めるべきか いかに知るのでしょう?
03:43
Or more to the point, how do you know if a program will ever stop?
86
211000
3000
さらに言うと プログラムがやがて
停止すると どうして分りますか?
停止すると どうして分りますか?
03:46
There are other questions like this, too.
87
214000
2000
このような疑問はまだあります
03:48
One of them is Craig Venter's question.
88
216000
2000
クレイグ・ヴェンターが発した疑問は
03:50
Turns out I think he's actually a computer scientist.
89
218000
2000
彼がコンピューター科学者の証です
03:52
He asked, how big is the minimal genome
90
220000
3000
彼は微生物を機能的に構成する
03:55
that will give me a functioning microorganism?
91
223000
2000
最小のゲノムの大きさを問いかけました
03:57
How few genes can I use?
92
225000
2000
必要最小限のゲノムとは?
03:59
This is exactly analogous to the question,
93
227000
2000
マイクロソフト・ワードのように機能する
04:01
what's the smallest program I can write
94
229000
1000
最小限のプログラムを書くという
04:02
that will act exactly like Microsoft Word?
95
230000
2000
課題にそっくりです
04:04
(Laughter)
96
232000
1000
(笑)
04:05
And just as he's writing, you know, bacteria that will be smaller,
97
233000
4000
まるでとても小さな微生物用に
04:09
he's writing genomes that will work,
98
237000
1000
機能するゲノムを書くように
04:10
we could write smaller programs
99
238000
2000
マイクロソフト・ワードのように動く
04:12
that would do what Microsoft Word does.
100
240000
2000
小さなプログラムを書くのです
04:14
But for molecular programming, our question is,
101
242000
2000
分子プログラミングでの問題は
04:16
how many molecules do we need to put in that seed to get a cell phone?
102
244000
4000
携帯になる種に詰め込む分子の数はいくつか?
04:20
What's the smallest number we can get away with?
103
248000
2000
最低数は何でしょう?
04:22
Now, these are big questions in computer science.
104
250000
2000
これはコンピューター科学にも共通する問題です
04:24
These are all complexity questions,
105
252000
2000
複雑性の問題です
04:26
and computer science tells us that these are very hard questions.
106
254000
2000
しかもかなり困難な問題です
04:28
Almost -- many of them are impossible.
107
256000
2000
全てを解決するのは不可能です
04:30
But for some tasks, we can start to answer them.
108
258000
3000
しかし幾つかは答えができつつあります
04:33
So, I'm going to start asking those questions
109
261000
1000
次にお話しするDNA構造で この問題に
取り組んでみたいと思います
取り組んでみたいと思います
04:34
for the DNA structures I'm going to talk about next.
110
262000
3000
次にお話しするDNA構造で この問題に
取り組んでみたいと思います
取り組んでみたいと思います
04:37
So, this is normal DNA, what you think of as normal DNA.
111
265000
3000
さてこれは ご存知の普通のDNAです
04:40
It's double-stranded, it's a double helix,
112
268000
2000
二本鎖で二重らせん構造をしています
04:42
has the As, Ts, Cs and Gs that pair to hold the strands together.
113
270000
3000
鎖を結合する A T C Gの塩基があります
04:45
And I'm going to draw it like this sometimes,
114
273000
2000
時々 私はこのように描写します
04:47
just so I don't scare you.
115
275000
2000
この方が分かりやすいでしょうから
04:49
We want to look at individual strands and not think about the double helix.
116
277000
3000
二重らせんよりも個々の鎖に着目したいのです
04:52
When we synthesize it, it comes single-stranded,
117
280000
3000
我々が合成するのは一本鎖です
04:55
so we can take the blue strand in one tube
118
283000
3000
この試験管の中に青い一本鎖
04:58
and make an orange strand in the other tube,
119
286000
2000
別の試験管にオレンジ色の鎖があります
05:00
and they're floppy when they're single-stranded.
120
288000
2000
これら一本鎖は軟弱です
05:02
You mix them together and they make a rigid double helix.
121
290000
3000
これらを混ぜ合わせると
強固な二重らせんになります
強固な二重らせんになります
05:05
Now for the last 25 years,
122
293000
2000
過去25年間にわたり
05:07
Ned Seeman and a bunch of his descendants
123
295000
2000
ネッド・シーマンとその門下生たちは
05:09
have worked very hard and made beautiful three-dimensional structures
124
297000
3000
このDNA鎖の結合反応を利用して
05:12
using this kind of reaction of DNA strands coming together.
125
300000
3000
懸命に美しい３次元構造を作りました
05:15
But a lot of their approaches, though elegant, take a long time.
126
303000
3000
彼らの方法は優美ですが時間がかかります
05:18
They can take a couple of years, or it can be difficult to design.
127
306000
3000
数年を要すこともあり 設計も困難です
05:21
So I came up with a new method a couple of years ago
128
309000
3000
そこで私は数年前 DNA折り紙と呼ぶ
新しい方法を考案しました
新しい方法を考案しました
05:24
I call DNA origami
129
312000
1000
そこで私は数年前 DNA折り紙と呼ぶ
新しい方法を考案しました
新しい方法を考案しました
05:25
that's so easy you could do it at home in your kitchen
130
313000
2000
とても簡単で家の台所でもできます
05:27
and design the stuff on a laptop.
131
315000
2000
ノートパソコンでデザインします
05:29
But to do it, you need a long, single strand of DNA,
132
317000
3000
しかしこれには長い一本鎖のDNAが必要です
05:32
which is technically very difficult to get.
133
320000
2000
技術的に合成するのはとても困難です
05:34
So, you can go to a natural source.
134
322000
2000
したがって自然素材に頼ります
05:36
You can look in this computer-fabricated artifact,
135
324000
2000
コンピューターが作った既製品を見ると
05:38
and he's got a double-stranded genome -- that's no good.
136
326000
2000
彼のゲノムは２本鎖なので不適当です
05:40
You look in his intestines. There are billions of bacteria.
137
328000
3000
彼の腸には何十億ものバクテリアがいます
05:43
They're no good either.
138
331000
2000
それらも不適当です
05:45
Double strand again, but inside them, they're infected with a virus
139
333000
2000
これらも２本鎖です
しかし中にウイルスがいます
しかし中にウイルスがいます
05:47
that has a nice, long, single-stranded genome
140
335000
3000
このウイルスのゲノムは長くきれいな一本鎖です
05:50
that we can fold like a piece of paper.
141
338000
2000
これを紙のように折ることができます
05:52
And here's how we do it.
142
340000
1000
これがそのやり方です
05:53
This is part of that genome.
143
341000
1000
これはゲノムの一部です
05:54
We add a bunch of short, synthetic DNAs that I call staples.
144
342000
3000
これに私がホッチキスと呼ぶ
短い合成DNAの束を入れます
短い合成DNAの束を入れます
05:57
Each one has a left half that binds the long strand in one place,
145
345000
4000
左側は長いDNA鎖のある部分と結合し
06:01
and a right half that binds it in a different place,
146
349000
3000
その右側はまた別の場所で結合します
06:04
and brings the long strand together like this.
147
352000
2000
このように長い鎖を手繰り寄せます
06:07
The net action of many of these on that long strand
148
355000
2000
長い鎖が網目のようになることで
06:09
is to fold it into something like a rectangle.
149
357000
2000
長方形に折りたためます
06:11
Now, we can't actually take a movie of this process,
150
359000
2000
この過程を映像でお見せしましょう
06:13
but Shawn Douglas at Harvard
151
361000
2000
ハーバードのショーン・ダグラスが
06:15
has made a nice visualization for us
152
363000
2000
うまく視覚化してくれました
06:17
that begins with a long strand and has some short strands in it.
153
365000
4000
これが長い鎖で こっちが短い鎖です
06:21
And what happens is that we mix these strands together.
154
369000
4000
これらのDNA鎖を混ぜ合わせて
06:25
We heat them up, we add a little bit of salt,
155
373000
2000
加熱し 少し塩を加えます
06:27
we heat them up to almost boiling and cool them down,
156
375000
2000
ほとんど沸騰するまで加熱し冷却します
06:29
and as we cool them down,
157
377000
1000
冷却する過程で
短い鎖は長い鎖に結合し
短い鎖は長い鎖に結合し
06:30
the short strands bind the long strands
158
378000
2000
冷却する過程で
短い鎖は長い鎖に結合し
短い鎖は長い鎖に結合し
06:32
and start to form structure.
159
380000
2000
構造を作り始めます
06:34
And you can see a little bit of double helix forming there.
160
382000
3000
ここに小さな二重らせん構造が見えますね
06:38
When you look at DNA origami,
161
386000
2000
DNA折り紙をよく見ると
06:40
you can see that what it really is,
162
388000
3000
一見複雑に見えても
本質が分かってきます
本質が分かってきます
06:43
even though you think it's complicated,
163
391000
1000
一見複雑に見えても
本質が分かってきます
本質が分かってきます
06:44
is a bunch of double helices that are parallel to each other,
164
392000
3000
二重らせんの集まりで
お互いに平行して走っており
お互いに平行して走っており
06:47
and they're held together
165
395000
2000
二重らせんの集まりで
お互いに平行して走っており
お互いに平行して走っており
06:49
by places where short strands go along one helix
166
397000
2000
短い鎖が らせん間をつないでいます
06:51
and then jump to another one.
167
399000
2000
短い鎖が らせん間をつないでいます
06:53
So there's a strand that goes like this, goes along one helix and binds --
168
401000
3000
ここにらせん構造同士をつなぐ鎖があります
06:56
it jumps to another helix and comes back.
169
404000
2000
別のらせんに飛んで戻ってきます
06:58
That holds the long strand like this.
170
406000
2000
このように長い鎖を折りたたむのです
07:00
Now, to show that we could make any shape or pattern
171
408000
3000
どんな形やパターンでも作れることをお見せするため
07:03
that we wanted, I tried to make this shape.
172
411000
2000
ここである形を作ってみます
07:06
I wanted to fold DNA into something that goes up over the eye,
173
414000
2000
目のような形
07:08
down the nose, up the nose, around the forehead,
174
416000
3000
下に行って鼻 さらにその上の額
07:11
back down and end in a little loop like this.
175
419000
3000
戻ってきてループを描いて終わりです
07:14
And so, I thought, if this could work, anything could work.
176
422000
3000
これができたら何でも作れると私は考えました
07:17
So I had the computer program design the short staples to do this.
177
425000
3000
このため短いホッチキスを
プログラムでデザインをしました
プログラムでデザインをしました
07:20
I ordered them; they came by FedEx.
178
428000
2000
注文すると フェデックスが配達しました
07:22
I mixed them up, heated them, cooled them down,
179
430000
2000
材料を混ぜて熱した後に冷却しました
07:24
and I got 50 billion little smiley faces
180
432000
4000
１滴の水あたり５百億個の
スマイリー・フェイスができました
スマイリー・フェイスができました
07:28
floating around in a single drop of water.
181
436000
2000
１滴の水あたり５百億個の
スマイリー・フェイスができました
スマイリー・フェイスができました
07:30
And each one of these is just
182
438000
2000
これら一つ一つの幅は人の毛髪の
千分の一しかないのですよ
千分の一しかないのですよ
07:32
one-thousandth the width of a human hair, OK?
183
440000
4000
これら一つ一つの幅は人の毛髪の
千分の一しかないのですよ
千分の一しかないのですよ
07:36
So, they're all floating around in solution, and to look at them,
184
444000
3000
これらは全て溶液に浮いていて
これを見るためには
これを見るためには
07:39
you have to get them on a surface where they stick.
185
447000
2000
表面にくっつかせる必要があります
07:41
So, you pour them out onto a surface
186
449000
2000
ある平面に流し出すと
07:43
and they start to stick to that surface,
187
451000
2000
それらはその表面にくっつき始めます
07:45
and we take a picture using an atomic-force microscope.
188
453000
2000
原子間力顕微鏡で写真を撮りました
07:47
It's got a needle, like a record needle,
189
455000
2000
レコード針のような針があり
07:49
that goes back and forth over the surface,
190
457000
2000
表面をなぞることで
07:51
bumps up and down, and feels the height of the first surface.
191
459000
3000
表面の段差を記録することができます
07:54
It feels the DNA origami.
192
462000
2000
DNA折り紙を見分けるのです
07:56
There's the atomic-force microscope working
193
464000
2000
原子間力顕微鏡では
着地が少しばかり荒かったので
着地が少しばかり荒かったので
07:59
and you can see that the landing's a little rough.
194
467000
1000
原子間力顕微鏡では
着地が少しばかり荒かったので
着地が少しばかり荒かったので
08:00
When you zoom in, they've got, you know,
195
468000
2000
拡大すると お分かりでしょうが
08:02
weak jaws that flip over their heads
196
470000
1000
弱いあごの部分が頭の方へめくりあがったり
08:03
and some of their noses get punched out, but it's pretty good.
197
471000
3000
いくつかの鼻がつぶれています
それでもかわいいですが
それでもかわいいですが
08:06
You can zoom in and even see the extra little loop,
198
474000
2000
さらに拡大すると小さな山羊ひげのような
ループも見ることができます
ループも見ることができます
08:08
this little nano-goatee.
199
476000
2000
さらに拡大すると小さな山羊ひげのような
ループも見ることができます
ループも見ることができます
08:10
Now, what's great about this is anybody can do this.
200
478000
3000
これが素晴らしいのは誰でもできることです
08:13
And so, I got this in the mail about a year after I did this, unsolicited.
201
481000
4000
この１年後にある人から予期せぬメールが来ました
08:17
Anyone know what this is? What is it?
202
485000
3000
どなたかこれが何かお分かりになりますか?
08:20
It's China, right?
203
488000
2000
中国ですね?
08:22
So, what happened is, a graduate student in China,
204
490000
2000
これは中国の大学院生
08:24
Lulu Qian, did a great job.
205
492000
2000
ルル・チエンの素晴らしい成果です
08:26
She wrote all her own software
206
494000
2000
彼女はこのDNA折り紙をデザインを
08:28
to design and built this DNA origami,
207
496000
2000
独自のソフトウェアで開発しました
08:30
a beautiful rendition of China, which even has Taiwan,
208
498000
3000
台湾を含んだきれいな中国の形です
08:33
and you can see it's sort of on the world's shortest leash, right?
209
501000
3000
世界で最も短いひもでつながってます
08:36
(Laughter)
210
504000
2000
(笑)
08:39
So, this works really well
211
507000
1000
この仕事は本当にうまくいきました
08:41
and you can make patterns as well as shapes, OK?
212
509000
2000
形と同様にパターンも描くことができます
08:44
And you can make a map of the Americas and spell DNA with DNA.
213
512000
3000
DNAを用いてアメリカの地図や
DNAのスペルを描けます
DNAのスペルを描けます
08:47
And what's really neat about it --
214
515000
3000
そして本当に巧妙なことは
08:50
well, actually, this all looks like nano-artwork,
215
518000
2000
これはナノ芸術作品のようですが
08:52
but it turns out that nano-artwork
216
520000
1000
ナノ芸術作品を用いてナノ回路を
作ることができるのです
作ることができるのです
08:53
is just what you need to make nano-circuits.
217
521000
2000
ナノ芸術作品を用いてナノ回路を
作ることができるのです
作ることができるのです
08:55
So, you can put circuit components on the staples,
218
523000
2000
電球やスイッチのような
08:57
like a light bulb and a light switch.
219
525000
2000
回路の部品を配置できます
08:59
Let the thing assemble, and you'll get some kind of a circuit.
220
527000
3000
それらを集めてある種の回路を作れます
09:02
And then you can maybe wash the DNA away and have the circuit left over.
221
530000
3000
それから残ったDNAを洗い流すと回路が残ります
09:05
So, this is what some colleagues of mine at Caltech did.
222
533000
2000
カリフォルニア工科大学の同僚の成果です
09:07
They took a DNA origami, organized some carbon nano-tubes,
223
535000
3000
彼らはDNA折り紙を使い炭素のナノチューブを作り
09:10
made a little switch, you see here, wired it up,
224
538000
2000
ここにある小さなスイッチを作り 配線して
09:12
tested it and showed that it is indeed a switch.
225
540000
3000
テストしたら実際にスイッチとして動きました
09:15
Now, this is just a single switch
226
543000
2000
これは１つのスイッチにすぎず
09:17
and you need half a billion for a computer, so we have a long way to go.
227
545000
4000
１つのコンピュータには５億個もの
スイッチが必要なので先は長いです
スイッチが必要なので先は長いです
09:21
But this is very promising
228
549000
2000
しかしとても将来有望です
09:23
because the origami can organize parts just one-tenth the size
229
551000
5000
この折り紙は普通のコンピューターの
十分の一の大きさの部品を作れるのです
十分の一の大きさの部品を作れるのです
09:28
of those in a normal computer.
230
556000
1000
この折り紙は普通のコンピューターの
十分の一の大きさの部品を作れるのです
十分の一の大きさの部品を作れるのです
09:29
So it's very promising for making small computers.
231
557000
3000
小さいコンピューターを作ることが有望です
09:32
Now, I want to get back to that compiler.
232
560000
3000
コンパイラに話を戻しましょう
09:35
The DNA origami is a proof that that compiler actually works.
233
563000
3000
DNA折り紙はコンパイラが実際に働く証拠となります
09:39
So, you start with something in the computer.
234
567000
2000
コンピュータで何かを始める際
09:41
You get a high-level description of the computer program,
235
569000
3000
コンピュータープログラムで概念的な定義をします
09:44
a high-level description of the origami.
236
572000
2000
折り紙にするための概念的な定義です
09:46
You can compile it to molecules, send it to a synthesizer,
237
574000
3000
その定義を分子にコンパイルし合成装置に送り込むと
09:49
and it actually works.
238
577000
1000
DNA折り紙が作られます
09:50
And it turns out that a company has made a nice program
239
578000
4000
ある会社が良いプログラムを作りました
09:54
that's much better than my code, which was kind of ugly,
240
582000
2000
醜い私のコードよりはるかに優れていて
09:56
and will allow us to do this in a nice,
241
584000
1000
きれいで視覚的にコンピューターを使う
デザインが可能になります
デザインが可能になります
09:57
visual, computer-aided design way.
242
585000
2000
きれいで視覚的にコンピューターを使う
デザインが可能になります
デザインが可能になります
10:00
So, now you can say, all right,
243
588000
1000
皆さんは思うでしょう
10:01
why isn't DNA origami the end of the story?
244
589000
2000
なぜDNA折り紙で この話は終わらないの?
10:03
You have your molecular compiler, you can do whatever you want.
245
591000
2000
分子コンパイラを持てば何でもできます
10:05
The fact is that it does not scale.
246
593000
3000
しかし実際のところ拡張性がありません
10:08
So if you want to build a human from DNA origami,
247
596000
3000
DNA折り紙を使ってヒトを作りたい場合
10:11
the problem is, you need a long strand
248
599000
2000
10兆の1兆倍もの
長い塩基が必要です
長い塩基が必要です
10:13
that's 10 trillion trillion bases long.
249
601000
3000
10兆の1兆倍もの
長い塩基が必要です
長い塩基が必要です
10:16
That's three light years' worth of DNA,
250
604000
2000
これは３光年の長さのDNAに相当します
10:18
so we're not going to do this.
251
606000
2000
ですから無理です
10:20
We're going to turn to another technology,
252
608000
2000
私たちは別の技術に注目します
10:22
called algorithmic self-assembly of tiles.
253
610000
2000
タイルの計算された自己組織化です
10:24
It was started by Erik Winfree,
254
612000
2000
エリク・ウィンフリーが提唱し始めて
10:26
and what it does,
255
614000
1000
DNA折り紙の百分の一の
大きさのタイルを使います
大きさのタイルを使います
10:27
it has tiles that are a hundredth the size of a DNA origami.
256
615000
4000
DNA折り紙の百分の一の
大きさのタイルを使います
大きさのタイルを使います
10:31
You zoom in, there are just four DNA strands
257
619000
2000
拡大すると タイルには
短いDNA一本鎖が４本あり
短いDNA一本鎖が４本あり
10:34
and they have little single-stranded bits on them
258
622000
2000
拡大すると タイルには
短いDNA一本鎖が４本あり
短いDNA一本鎖が４本あり
10:36
that can bind to other tiles, if they match.
259
624000
2000
鎖がマッチすると他のタイルと結合します
10:38
And we like to draw these tiles as little squares.
260
626000
3000
これらのタイルを小さな四角形として描きます
10:42
And if you look at their sticky ends, these little DNA bits,
261
630000
2000
付着性を持った各辺のDNA鎖を見ると
10:44
you can see that they actually form a checkerboard pattern.
262
632000
3000
市松模様になることが分ります
10:47
So, these tiles would make a complicated, self-assembling checkerboard.
263
635000
3000
入り組んだ自己組織化する市松模様です
10:50
And the point of this, if you didn't catch that,
264
638000
2000
重要な点は
10:52
is that tiles are a kind of molecular program
265
640000
3000
タイルは分子プログラムの一種で
10:55
and they can output patterns.
266
643000
3000
パターンを形成することです
10:58
And a really amazing part of this is
267
646000
2000
実に素晴らしいことに
11:00
that any computer program can be translated
268
648000
2000
特に計算など あらゆる
コンピューター・プログラムが
コンピューター・プログラムが
11:02
into one of these tile programs -- specifically, counting.
269
650000
3000
タイル・プログラムに変換できるのです
11:05
So, you can come up with a set of tiles
270
653000
3000
結合されたタイルの組み合わせを
11:08
that when they come together, form a little binary counter
271
656000
3000
市松模様ではなく
二進法カウンターと見なせます
二進法カウンターと見なせます
11:11
rather than a checkerboard.
272
659000
2000
市松模様ではなく
二進法カウンターと見なせます
二進法カウンターと見なせます
11:13
So you can read off binary numbers five, six and seven.
273
661000
3000
二進法で５ ６ ７という風に数字を読み取れます
11:16
And in order to get these kinds of computations started right,
274
664000
3000
この種の計算を正確に進めるためには
11:19
you need some kind of input, a kind of seed.
275
667000
2000
ある入力 つまり種が必要です
11:21
You can use DNA origami for that.
276
669000
2000
種にDNA折り紙が使えます
11:23
You can encode the number 32
277
671000
2000
DNA折り紙の右端に数字の32を符号化し
11:25
in the right-hand side of a DNA origami,
278
673000
2000
DNA折り紙の右端に数字の32を符号化し
11:27
and when you add those tiles that count,
279
675000
2000
計算できるタイルを追加すると
11:29
they will start to count -- they will read that 32
280
677000
3000
タイルは32になるまで数え始め
11:32
and they'll stop at 32.
281
680000
2000
そして32になると止まります
11:34
So, what we've done is we've figured out a way
282
682000
3000
分子プログラムが いつ動作を止めるか
11:37
to have a molecular program know when to stop going.
283
685000
3000
知る手段ができました 数えることで
いつ成長を止めるかが分かるのです
いつ成長を止めるかが分かるのです
11:40
It knows when to stop growing because it can count.
284
688000
2000
知る手段ができました 数えることで
いつ成長を止めるかが分かるのです
いつ成長を止めるかが分かるのです
11:42
It knows how big it is.
285
690000
2000
どのくらい大きいかが分かるのです
11:44
So, that answers that sort of first question I was talking about.
286
692000
3000
これが私が最初に述べた問題の答えです
11:47
It doesn't tell us how babies do it, however.
287
695000
3000
しかし赤ん坊の場合は 未だ分かりません
11:50
So now, we can use this counting to try and get at much bigger things
288
698000
4000
次に この計算を応用してDNA折り紙には
無理な もっと大きな物を作ろうとしました
無理な もっと大きな物を作ろうとしました
11:54
than DNA origami could otherwise.
289
702000
1000
次に この計算を応用してDNA折り紙には
無理な もっと大きな物を作ろうとしました
無理な もっと大きな物を作ろうとしました
11:55
Here's the DNA origami, and what we can do
290
703000
3000
ここにDNA折り紙があり
11:58
is we can write 32 on both edges of the DNA origami,
291
706000
3000
両端に数字の32を符号化し
12:01
and we can now use our watering can
292
709000
2000
じょうろを使い
12:03
and water with tiles, and we can start growing tiles off of that
293
711000
4000
タイルに水をやり成長させて
12:07
and create a square.
294
715000
2000
四角形を作り始めます
12:09
The counter serves as a template
295
717000
3000
カウンターは真ん中を四角形で
12:12
to fill in a square in the middle of this thing.
296
720000
2000
埋めるための基準になります
12:14
So, what we've done is we've succeeded
297
722000
1000
DNA折り紙とタイルを組み合わせることで
12:15
in making something much bigger than a DNA origami
298
723000
3000
DNA折り紙とタイルを組み合わせることで
12:18
by combining DNA origami with tiles.
299
726000
3000
DNA折り紙より とても大きな物を作れたわけです
12:21
And the neat thing about it is, is that it's also reprogrammable.
300
729000
3000
さらに素晴らしいことに
再プログラム化も可能です
再プログラム化も可能です
12:24
You can just change a couple of the DNA strands in this binary representation
301
732000
4000
二進法表記のDNA鎖に少し変更を加えるだけで
12:28
and you'll get 96 rather than 32.
302
736000
3000
例えば 32 を 96 に変更できます
12:31
And if you do that, the origami's the same size,
303
739000
3000
そうすれば折り紙の大きさは同じなのに
12:34
but the resulting square that you get is three times bigger.
304
742000
4000
形成する四角形は３倍の大きさになります
12:39
So, this sort of recapitulates
305
747000
1000
以上が私が発達について
述べたい要約となります
述べたい要約となります
12:40
what I was telling you about development.
306
748000
2000
以上が私が発達について
述べたい要約となります
述べたい要約となります
12:42
You have a very sensitive computer program
307
750000
3000
とても繊細なコンピューター・プログラムがあり
12:45
where small changes -- single, tiny, little mutations --
308
753000
3000
なにか小さな変更をすると
12:48
can take something that made one size square
309
756000
2000
ある大きさの四角形を作っていたのを
12:50
and make something very much bigger.
310
758000
3000
とても大きな物を作るように変えられます
12:54
Now, this -- using counting to compute
311
762000
3000
このように数えることと
12:57
and build these kinds of things
312
765000
2000
発達過程を使って物を設計して作ることは
12:59
by this kind of developmental process
313
767000
2000
発達過程を使って物を設計して作ることは
13:01
is something that also has bearing on Craig Venter's question.
314
769000
4000
クレイグ・ヴェンダーの疑問と重なる部分があります
13:05
So, you can ask, how many DNA strands are required
315
773000
2000
その疑問とはある大きさの四角形を作るのに
13:07
to build a square of a given size?
316
775000
2000
何本のDNA鎖が必要となるか です
13:09
If we wanted to make a square of size 10, 100 or 1,000,
317
777000
5000
大きさが 10 100 1,000 の四角形を作る場合
13:14
if we used DNA origami alone,
318
782000
2000
DNA折り紙のみを使用すると
13:16
we would require a number of DNA strands that's the square
319
784000
3000
四角形一辺の長さ二乗分の数だけ
DNA鎖が必要になります
DNA鎖が必要になります
13:19
of the size of that square;
320
787000
2000
四角形一辺の長さ二乗分の数だけ
DNA鎖が必要になります
DNA鎖が必要になります
13:21
so we'd need 100, 10,000 or a million DNA strands.
321
789000
2000
百 万 百万のDNA鎖が必要です
13:23
That's really not affordable.
322
791000
2000
これは不可能です
13:25
But if we use a little computation --
323
793000
2000
しかし計算を使い
13:27
we use origami, plus some tiles that count --
324
795000
4000
折り紙を用い そして数えることができる
タイルを用いると
タイルを用いると
13:31
then we can get away with using 100, 200 or 300 DNA strands.
325
799000
3000
100 200 300といった数のDNA鎖で収まるのです
13:34
And so we can exponentially reduce the number of DNA strands we use,
326
802000
5000
そして指数関数的にDNA鎖の必要量を減らせます
13:39
if we use counting, if we use a little bit of computation.
327
807000
3000
数をかぞえ簡単な計算をすればいいのです
13:42
And so computation is some very powerful way
328
810000
3000
計算は物を作る際に必要となる
13:45
to reduce the number of molecules you need to build something,
329
813000
3000
分子の量を減らし 作ろうとするゲノムの
13:48
to reduce the size of the genome that you're building.
330
816000
3000
サイズを小さくする強力な方法です
13:51
And finally, I'm going to get back to that sort of crazy idea
331
819000
3000
最終的に私はコンピューターが
コンピューターを作るという
コンピューターを作るという
13:54
about computers building computers.
332
822000
2000
クレイジーな考えに戻ります
13:56
If you look at the square that you build with the origami
333
824000
3000
折り紙を使い作り上げた
四角形とカウンターをみると
四角形とカウンターをみると
13:59
and some counters growing off it,
334
827000
2000
折り紙を使い作り上げた
四角形とカウンターをみると
四角形とカウンターをみると
14:01
the pattern that it has is exactly the pattern that you need
335
829000
3000
そのパターンは正に記憶を
作るために必要な物です
作るために必要な物です
14:04
to make a memory.
336
832000
1000
そのパターンは正に記憶を
作るために必要な物です
作るために必要な物です
14:05
So if you affix some wires and switches to those tiles --
337
833000
3000
ホッチキスで鎖を止める代わりに
タイルに配線やスイッチを取り付ければ
タイルに配線やスイッチを取り付ければ
14:08
rather than to the staple strands, you affix them to the tiles --
338
836000
3000
ホッチキスで鎖を止める代わりに
タイルに配線やスイッチを取り付ければ
タイルに配線やスイッチを取り付ければ
14:11
then they'll self-assemble the somewhat complicated circuits,
339
839000
3000
それらは複雑な回路を自己組織化するでしょう
14:14
the demultiplexer circuits, that you need to address this memory.
340
842000
3000
この記憶装置を作るために必要な
デマルチプレクサー回路です
デマルチプレクサー回路です
14:17
So you can actually make a complicated circuit
341
845000
2000
ちょっと計算するだけで
14:19
using a little bit of computation.
342
847000
2000
複雑な回路を作ることができます
14:21
It's a molecular computer building an electronic computer.
343
849000
3000
言わば 電子コンピューターを作る
分子コンピューターです
分子コンピューターです
14:24
Now, you ask me, how far have we gotten down this path?
344
852000
3000
さてここに至るまで どれ位進歩したのでしょう?
14:27
Experimentally, this is what we've done in the last year.
345
855000
3000
実験的に行った去年の成果を紹介します
14:30
Here is a DNA origami rectangle,
346
858000
2000
これはDNA折り紙の長方形です
14:33
and here are some tiles growing from it.
347
861000
2000
ここが成長したタイルの部分で
14:35
And you can see how they count.
348
863000
2000
いくつ数えたか 見て取れます
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
間違いがいくつかありますが
数え上げました
数え上げました
14:53
(Laughter)
351
881000
1000
(笑)
14:54
So, it turns out we actually had this idea nine years ago,
352
882000
3000
私たちはこの考えを９年前に思いつきました
14:57
and that's about the time constant for how long it takes
353
885000
3000
この種のことをするには必要な年月です
15:00
to do these kinds of things, so I think we made a lot of progress.
354
888000
2000
かなり進歩したと思います
15:02
We've got ideas about how to fix these errors.
355
890000
2000
これらの誤りを正すアイデアはあります
15:04
And I think in the next five or 10 years,
356
892000
2000
今後5～10年すれば
15:06
we'll make the kind of squares that I described
357
894000
2000
お話しした四角形を作り
15:08
and maybe even get to some of those self-assembled circuits.
358
896000
3000
自己組織化する回路もできることでしょう
15:11
So now, what do I want you to take away from this talk?
359
899000
4000
私がこのトークでお伝えしたいことは
15:15
I want you to remember that
360
903000
2000
次のとおりです
15:17
to create life's very diverse and complex forms,
361
905000
4000
生命は多くの複雑な形を作るために
15:21
life uses computation to do that.
362
909000
2000
計算をしています
15:23
And the computations that it uses, they're molecular computations,
363
911000
4000
行っている計算は分子計算です
15:27
and in order to understand this and get a better handle on it,
364
915000
2000
ファインマンが言うように
15:29
as Feynman said, you know,
365
917000
2000
より深く理解 習得するためには
15:31
we need to build something to understand it.
366
919000
2000
何かを作りながら理解するのが一番です
15:33
And so we are going to use molecules and refashion this thing,
367
921000
4000
私たちは分子を使い改良していくのです
15:37
rebuild everything from the bottom up,
368
925000
2000
始めからボトムアップで作り上げ
15:39
using DNA in ways that nature never intended,
369
927000
3000
自然が意図もしなかった方法でDNAを用い
15:42
using DNA origami,
370
930000
2000
DNA折り紙を用い
15:44
and DNA origami to seed this algorithmic self-assembly.
371
932000
3000
このアルゴリズム的自己組織化の種にします
15:47
You know, so this is all very cool,
372
935000
2000
全てはとてもクールな科学です
15:50
but what I'd like you to take from the talk,
373
938000
1000
理解して欲しいのは
15:51
hopefully from some of those big questions,
374
939000
2000
大きな課題を通して考えると
15:53
is that this molecular programming isn't just about making gadgets.
375
941000
3000
分子プログラミングはガジェットを
作るだけではありません
作るだけではありません
15:56
It's not just making about --
376
944000
2000
自己組織化で携帯電話や
15:58
it's making self-assembled cell phones and circuits.
377
946000
2000
回路を作るのが目的ではありません
16:00
What it's really about is taking computer science
378
948000
2000
コンピュータ科学を用い
16:02
and looking at big questions in a new light,
379
950000
3000
大きな課題に新しい光をあて
16:05
asking new versions of those big questions
380
953000
2000
その課題に新たな仮説を導き
16:07
and trying to understand how biology
381
955000
2000
生物学が いかに驚きの品を作るか
解明することが大切なのです
解明することが大切なのです
16:09
can make such amazing things. Thank you.
382
957000
2000
生物学が いかに驚きの品を作るか
解明することが大切なのです
解明することが大切なのです
16:12
(Applause)
383
960000
7000
ありがとうございます （拍手）
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