TED2007
Paul Rothemund: Playing with DNA that self-assembles
Paul Rothemund spreekt een spreuk met DNA
Filmed:
Readability: 3.6
471,278 views
Paul Rothemund schrijft code die ervoor zorgt dat DNA zichzelf vouwt in de vorm van een ster, een smiley en nog meer. Natuurlijk is het een stunt, maar het is ook een demonstratie van zelfassemblage op de kleinst mogelijke schaal -- met enorme implicaties voor toekomstige productieprocessen.
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.
00:26
There's an ancient and universal concept that words have power,
0
1000
4000
Er is een oud en universeel concept dat woorden macht hebben,
00:30
that spells exist, and that if we could only pronounce the right words,
1
5000
4000
dat spreuken bestaan en als we maar de juiste woorden zouden spreken,
00:34
then -- whooosh -- you know, an avalanche would come
2
9000
2000
dan whooosh! Dan zou er een lawine komen
00:36
and wipe out the hobbits, right? So this is a very attractive idea
3
11000
5000
en de hobbits vernietigen, toch? Dus dit is een zeer aantrekkelijk idee
00:41
because we're very lazy, like the sorcerer's apprentice,
4
16000
2000
omdat we erg lui zijn, net als de tovenaarsleerling
00:43
or the world's greatest computer programmer.
5
18000
2000
of 's werelds grootste computerprogrammeur.
00:45
And so this idea has a lot of traction with us.
6
20000
2000
En ja, dit idee raakt ons.
00:47
We love the idea that words, when pronounced --
7
22000
2000
We houden van het idee dat woorden, wanneer uitgesproken --
00:49
they're just little more than pure information,
8
24000
2000
ze zijn slechts net iets meer dan pure informatie,
00:51
but they evoke some physical action
9
26000
1000
maar ze roepen een fysieke actie op
00:53
in the real world that helps us do work.
10
28000
1000
in de echte wereld, waar we iets mee kunnen.
00:54
And so, of course, with lots of programmable computers
11
29000
3000
En ja, natuurlijk, met veel programmeerbare computers
00:57
and robots around this is an easy thing to picture.
12
32000
3000
en robots, is dit makkelijk voor te stellen.
01:00
So how many of you know what I'm talking about?
13
35000
2000
Dus hoe velen van jullie weten waar ik het over heb?
01:02
Raise your right hand. OK. How many of you
14
37000
1000
Toon je rechterhand. Oké. Hoeveel van jullie
01:03
don't know what I'm talking about? Raise your left hand.
15
38000
3000
weten niet waar ik het over heb? Toon je linkerhand. Oké.
01:06
So that's great. So that was too easy.
16
41000
3000
Dat is geweldig. Dat was te makkelijk.
01:09
You guys have very insecure computers, OK?
17
44000
3000
Jullie hebben zeer onzekere computers, oké?
01:12
So now, the thing is that this is a different kind of spell.
18
47000
5000
Dus nu, het punt is dat dit een ander soort betovering is.
01:17
This is a computer program made of zeros and ones.
19
52000
1000
Dit is een computerprogramma gemaakt van nullen en enen.
01:18
It can be pronounced on a computer. It does something like this.
20
53000
3000
Het kan worden uitgesproken op een computer. Het doet iets als dit.
01:21
The important thing is we can write it in a high-level language.
21
56000
2000
Het belangrijkste is dat we kunnen programmeren in een high-level taal.
01:23
A computer magician can write this thing.
22
58000
3000
Een computergoochelaar kan dit schrijven.
01:26
It can be compiled into this -- into zeros and ones --
23
61000
3000
Het kan worden samengesteld -- in nullen en enen --
01:29
and pronounced by a computer.
24
64000
1000
en uitgesproken door een computer.
01:30
And that's what makes computers powerful:
25
65000
1000
En dat maakt computers krachtig:
01:32
these high-level languages that can be compiled.
26
67000
2000
deze high-level talen die kunnen worden opgesteld.
01:34
And so, I'm here to tell you, you don't need a computer
27
69000
3000
En ja, ik ben hier om te vertellen, dat je geen computer nodig hebt
01:37
to actually have a spell. In fact, what you can do
28
72000
3000
om een spreuk uit te voeren. In feite, wat je kunt doen
01:40
at the molecular level is that if you encode information --
29
75000
3000
op moleculair niveau is dat als je informatie codeert--
01:43
you encode a spell or program as molecules --
30
78000
2000
je codeert een spreuk of een programma als moleculen --
01:46
then physics can actually directly interpret that information
31
81000
3000
dan kan de natuurkunde die informatie direct interpreteren
01:49
and run a program. That's what happens in proteins.
32
84000
2000
en uitvoeren. Dat gebeurt ook in eiwitten.
01:52
When this amino acid sequence gets pronounced as atoms,
33
87000
2000
Wanneer de aminozuurvolgorde wordt uitgesproken als atomen,
01:55
these little letters are sticky for each other.
34
90000
2000
plakken deze kleine letters aan elkaar.
01:57
It collapses into a three-dimensional shape that turns it into
35
92000
3000
Het vouwt zich in een driedimensionale vorm die het verandert in
02:00
a nanomachine that actually cuts DNA.
36
95000
2000
een nanomachine die DNA knipt.
02:02
And the interesting thing is that if you change the sequence,
37
97000
3000
En het interessante is dat als je de volgorde verandert,
02:05
you change the three-dimensional folding.
38
100000
2000
je het driedimensionale vouwen verandert.
02:07
You get now a DNA stapler instead. These are the kind of
39
102000
3000
Je krijgt nu een DNA-nietmachine. Dit zijn het soort
02:10
molecular programs that we want to be able to write,
40
105000
2000
moleculaire programma's die we willen schrijven,
02:12
but the problem is, we don't know the machine language of
41
107000
2000
maar het probleem is, we kennen niet de machinetaal van de
02:14
proteins. We don't have a compiler for proteins.
42
109000
2000
eiwitten; we hebben geen samensteller voor eiwitten.
02:17
So I've joined a growing band of people that try to make
43
112000
2000
Dus kwam ik bij een groeiende groep mensen die pogen
02:19
molecular spells using DNA. We use DNA because it's cheaper.
44
114000
3000
moleculaire spreuken met DNA te maken. We gebruiken DNA, omdat het goedkoper is.
02:23
It's easier to handle. It's something that we understand really well.
45
118000
2000
Het is gemakkelijker te hanteren. Het is iets dat we heel goed begrijpen
02:25
We understand it so well, in fact, that we think we can actually write
46
120000
4000
We begrijpen het zo goed dat we nu kunnen beginnen met maken van
02:29
programming languages for DNA and have molecular compilers.
47
124000
3000
programmeertalen voor DNA en we hebben moleculaire samenstellers.
02:32
So then, we think we can do that. And my first question doing this --
48
127000
4000
Dus dat kunnen we nu. En mijn eerste vraag hierin was:
02:36
or one of my questions doing this -- was how can you make
49
131000
1000
Hoe maak je
02:38
an arbitrary shape or pattern out of DNA? And I decided to use
50
133000
3000
een willekeurige vorm of patroon van DNA? Ik gebruik
02:41
a type of DNA origami, where you take a long strand of DNA
51
136000
3000
een soort van DNA-origami, een lange streng van DNA
02:44
and fold it into whatever shape or pattern you might want.
52
139000
3000
en vouw het in elke vorm of patroon die je zou willen.
02:47
So here's a shape. I actually spent about a year in my home,
53
142000
3000
Dus hier is een vorm. Dit heeft me ongeveer een jaar gekost,
02:50
in my underwear, coding, like Linus [Torvalds], in that picture before.
54
145000
3000
in mijn ondergoed, programmerend, zoals Linus [Torvalds], in dat beeld eerder.
02:54
And this program takes a shape, spits out 250 DNA sequences.
55
149000
3000
En dit programma neemt een vorm en maakt 250 DNA-sequenties.
02:57
These short DNA sequences are what are going to fold the long strand
56
152000
3000
Deze korte DNA-sequenties vormen dan de lange keten
03:00
into this shape that we want to make. So you send an e-mail
57
155000
3000
in de vorm die we willen maken. Dus u stuurt een e-mail
03:03
with these sequences in it to a company, and what it does --
58
158000
3000
met deze sequenties aan een bedrijf, en wat zij doen --
03:07
the company pronounces them on a DNA synthesizer.
59
162000
1000
het bedrijf maakt het DNA.
03:09
It's a machine about the size of a photocopier. And what happens is,
60
164000
3000
Met een machine zo groot als een kopieerapparaat. En wat er gebeurt is,
03:12
they take your e-mail and every letter in your e-mail,
61
167000
2000
zij nemen je e-mail en elke letter in de e-mail
03:14
they replace with 30-atom cluster -- one for each letter,
62
169000
3000
vervangen ze met een 30-atoom cluster, één voor elke letter,
03:17
A, T, C, and G in DNA. They string them up in the right sequence,
63
172000
3000
A, T, C en G in het DNA. Ze zetten ze in de juiste volgorde,
03:21
and then they send them back to you via FedEx.
64
176000
1000
en dan sturen ze het terug via FedEx.
03:23
So you get 250 of these in the mail in little tubes.
65
178000
1000
Dus krijg je 250 hiervan in de post in kleine buizen.
03:25
I mix them together, add a little bit of salt water,
66
180000
3000
Ik meng ze samen, voeg een beetje zout water toe
03:28
and then add this long strand I was telling you about,
67
183000
2000
en daarna voeg ik een lange streng toe waarover ik eerder vertelde,
03:30
that I've stolen from a virus. And then what happens is,
68
185000
2000
die ik heb gestolen van een virus. En wat er dan gebeurt is,
03:33
you heat this whole thing up to about boiling. You cool it down
69
188000
3000
je warmt dit hele ding tot het bijna kookt. Je laat het afkoelen
03:37
to room temperature, and as you do,
70
192000
1000
tot kamertemperatuur. Als je dat doet,
03:38
what happens is those short strands, they do the following thing:
71
193000
2000
doen deze korte strengen het volgende:
03:41
each one of them binds that long strand in one place,
72
196000
3000
ieder van hen bindt die lange streng op één plaats,
03:44
and then has a second half that binds that long strand
73
199000
2000
dan bindt de andere helft die lange streng
03:47
in a distant place, and brings those two parts of the long strand
74
202000
3000
op een andere plaats en brengt deze twee delen van de lange streng
03:50
close together so that they stick together.
75
205000
2000
dicht bij elkaar, zodat ze aan elkaar vastkleven.
03:52
And so the net effect of all 250 of these strands is to fold
76
207000
3000
En dus het netto-effect van alle 250 van deze gebieden
03:55
the long strand into the shape that you're looking for.
77
210000
4000
is dat de lange streng zich vouwt in de gewenste vorm.
03:59
It'll approximate that shape. We do this for real in the test tube.
78
214000
3000
Het krijgt ongeveer die vorm. We doen dit al in reageerbuizen.
04:02
In each little drop of water you get 50 billion of these guys.
79
217000
3000
In elke druppel water krijg je 50 miljard van deze vormpjes.
04:05
You can look with a microscope and see them on a surface.
80
220000
2000
Je kunt ze met een microscoop bekijken op een oppervlak.
04:08
And the neat thing is that if you change the sequence
81
223000
1000
En het leuke is dat als je de volgorde verandert en
04:09
and change the spell, you just change the sequence of the staples.
82
224000
4000
de spreuk aanpast, dan verander je de sequentie van de nietjes
04:13
You can make a molecule that looks like this, and, you know,
83
228000
3000
Je kunt dan een molecuul maken die hierop lijkt,
04:16
he likes to hang out with his buddies, right.
84
231000
2000
en hij heeft graag vriendjes om zich heen.
04:19
And a lot of them are actually pretty good.
85
234000
1000
Veel zijn best goed gelukt.
04:21
If you change the spell again, you change the sequence again.
86
236000
2000
Met een andere spreuk verander je weer de vorm
04:23
You get really nice 130 nanometer triangles. If you do it again,
87
238000
4000
Je krijgt mooie 130 nanometer driehoeken. Of bijvoorbeeld
04:27
you can get arbitrary patterns. So on a rectangle
88
242000
3000
willekeurige patronen. Dus op een rechthoek
04:30
you can paint patterns of North and South America, or the words, "DNA."
89
245000
5000
maak je Noord-en Zuid-Amerika, of de woorden "DNA."
04:35
So that's DNA origami. That's one way. There are many ways
90
250000
4000
Dus dat is DNA-origami. Dat is één manier. Er zijn meer manieren
04:39
of casting molecular spells using DNA.
91
254000
3000
om met DNA spreuken te maken.
04:42
What we really want to do in the end is learn how to program
92
257000
3000
Ons einddoel is te begrijpen hoe we zelf-assemblage
04:45
self-assembly so that we can build anything, right?
93
260000
3000
kunnen programmeren, zodat we alles kunnen maken, zie je?
04:48
We want to be able to build technological artifacts
94
263000
2000
We willen in staat zijn om technologische artefacten bouwen
04:50
that are maybe good for the world. We want to learn
95
265000
2000
die misschien goed zijn voor de wereld. We willen leren
04:52
how to build biological artifacts, like people and whales and trees.
96
267000
4000
biologische artefacten te maken, zoals mensen en walvissen en bomen.
04:57
And if it's the case that we can reach that level of complexity,
97
272000
2000
En als we zoiets ingewikkelds kunnen maken,
04:59
if our ability to program molecules gets to be that good,
98
274000
3000
als onze vaardigheden zich zover ontwikkelen,
05:03
then that will truly be magic. Thank you very much.
99
278000
3000
dan hebben we échte magie in handen. Hartelijk dank.
05:06
(Applause)
100
281000
1000
(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