TED2007
Paul Rothemund: Playing with DNA that self-assembles
Paul Rothemund rzuca zaklęcie na cząsteczkę DNA
Filmed:
Readability: 3.6
471,278 views
Paul Rothemund pisze oprogramowanie umożliwiające ułożenie cząsteczki DNA w struktury przypominające kształtem gwiazdę, uśmiechniętą buźkę i wiele innych. Pomysł ten, notabene fenomenalny, przedstawia ideę samoorganizacji materii w najmniejszej istniejącej skali - co może mieć istotny wpływ na przyszły rozwój nanotechnologii.
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
Istnieje starożytne i powszechne przekonanie, że słowa mają moc,
00:30
that spells exist, and that if we could only pronounce the right words,
1
5000
4000
że zaklęcia istnieją i jeżeli tylko moglibyśmy wypowiedzieć odpowiednie słowa,
00:34
then -- whooosh -- you know, an avalanche would come
2
9000
2000
wówczas szuuuuu! Lawina mogłaby zejść
00:36
and wipe out the hobbits, right? So this is a very attractive idea
3
11000
5000
i zmieść hobbitów, czyż nie tak? Sam pomysł jest bardzo atrakcyjny,
00:41
because we're very lazy, like the sorcerer's apprentice,
4
16000
2000
ponieważ jesteśmy strasznie leniwi, zupełnie jak uczeń czarnoksiężnika,
00:43
or the world's greatest computer programmer.
5
18000
2000
czy najlepszy programista świata.
00:45
And so this idea has a lot of traction with us.
6
20000
2000
Pomysł ten ma wiele wspólnego z nami.
00:47
We love the idea that words, when pronounced --
7
22000
2000
Uwielbiamy przekonanie, że słowa, kiedy są wymawiane --
00:49
they're just little more than pure information,
8
24000
2000
niosą więcej niż samą informację,
00:51
but they evoke some physical action
9
26000
1000
że wywołują pewne fizyczne działanie
00:53
in the real world that helps us do work.
10
28000
1000
w realnym świecie, które ułatwia nam pracę.
00:54
And so, of course, with lots of programmable computers
11
29000
3000
Oczywiście dysponując całym mnóstwem komputerów
00:57
and robots around this is an easy thing to picture.
12
32000
3000
i robotów, jest to dość łatwe do przedstawienia.
01:00
So how many of you know what I'm talking about?
13
35000
2000
Czy ktokolwiek wie, o czym teraz mówię?
01:02
Raise your right hand. OK. How many of you
14
37000
1000
Podnieście prawą rękę. Ok. Ilu z was,
01:03
don't know what I'm talking about? Raise your left hand.
15
38000
3000
nie ma pojęcia, o czym mówię? Podnieście lewą rękę. Ok.
01:06
So that's great. So that was too easy.
16
41000
3000
W porządku. Wspaniale. To było zbyt łatwe.
01:09
You guys have very insecure computers, OK?
17
44000
3000
Czyżbyście mieli kompletnie niezabezpieczone komputery?
01:12
So now, the thing is that this is a different kind of spell.
18
47000
5000
Jednakże jest to zupełnie inny rodzaj zaklęcia.
01:17
This is a computer program made of zeros and ones.
19
52000
1000
Jest to program komputerowy składający się z ciągu zer i jedynek.
01:18
It can be pronounced on a computer. It does something like this.
20
53000
3000
Zaklęcie to może być wypowiadane przez komputer. A wygląda to w następujący sposób.
01:21
The important thing is we can write it in a high-level language.
21
56000
2000
Ważne jest, że zaklęcie możemy zapisać stosując język wysokiego poziomu,
01:23
A computer magician can write this thing.
22
58000
3000
a pisze je komputer czarodziej.
01:26
It can be compiled into this -- into zeros and ones --
23
61000
3000
Następnie kod ten jest kompilowany do ciągu zero-jedynkowego --
01:29
and pronounced by a computer.
24
64000
1000
odczytywanego przez komputer.
01:30
And that's what makes computers powerful:
25
65000
1000
I właśnie to czyni komputery potężnymi:
01:32
these high-level languages that can be compiled.
26
67000
2000
możliwość kompilacji języka wysokiego poziomu.
01:34
And so, I'm here to tell you, you don't need a computer
27
69000
3000
Chciałbym powiedzieć wam, że nie potrzebujemy komputera
01:37
to actually have a spell. In fact, what you can do
28
72000
3000
by móc wypowiedzieć zaklęcie. Faktem jest, że jeżeli
01:40
at the molecular level is that if you encode information --
29
75000
3000
na poziomie cząsteczkowym zakodujemy informację --
01:43
you encode a spell or program as molecules --
30
78000
2000
zakodujemy zaklęcie lub program pod postacią cząsteczek --
01:46
then physics can actually directly interpret that information
31
81000
3000
to fizyka odczyta tę informację
01:49
and run a program. That's what happens in proteins.
32
84000
2000
i uruchomi program. Tak dzieje się właśnie w przypadku białek.
01:52
When this amino acid sequence gets pronounced as atoms,
33
87000
2000
Kiedy pokazana tutaj sekwencja aminokwasów zostanie odczytana jako atomy,
01:55
these little letters are sticky for each other.
34
90000
2000
wówczas te małe literki zostają naklejone na każdy z rozpoznanych aminokwasów.
01:57
It collapses into a three-dimensional shape that turns it into
35
92000
3000
Następuje ułożenie łańcucha aminokwasów w strukturę trójwymiarową,
02:00
a nanomachine that actually cuts DNA.
36
95000
2000
w nanomaszynę, która rozcina nić DNA.
02:02
And the interesting thing is that if you change the sequence,
37
97000
3000
Ciekawe jest to, że jeżeli zmienimy kolejność aminokwasów,
02:05
you change the three-dimensional folding.
38
100000
2000
zmienimy również trójwymiarowe upakowanie DNA.
02:07
You get now a DNA stapler instead. These are the kind of
39
102000
3000
Otrzymamy spinacz DNA. Są to swego rodzaju
02:10
molecular programs that we want to be able to write,
40
105000
2000
programy cząsteczkowe, które chcielibyśmy bardzo móc tworzyć.
02:12
but the problem is, we don't know the machine language of
41
107000
2000
Problem polega jednak na tym, że nie znamy języka
02:14
proteins. We don't have a compiler for proteins.
42
109000
2000
maszynowego białek. W przypadku białek nie dysponujemy kompilatorem.
02:17
So I've joined a growing band of people that try to make
43
112000
2000
Dlatego też, dołączyłem do rosnącej grupy osób próbujących uzyskać
02:19
molecular spells using DNA. We use DNA because it's cheaper.
44
114000
3000
cząsteczkowe zaklęcia z wykorzystaniem nici DNA. Użyliśmy DNA, ponieważ jest tanie,
02:23
It's easier to handle. It's something that we understand really well.
45
118000
2000
łatwe w użyciu, jest czymś, co bardzo dobrze znamy.
02:25
We understand it so well, in fact, that we think we can actually write
46
120000
4000
Znaliśmy je tak dobrze, że sądziliśmy iż jesteśmy w stanie napisać
02:29
programming languages for DNA and have molecular compilers.
47
124000
3000
języki programowania z wykorzystaniem DNA, tak by stworzyć cząsteczkowy kompilator.
02:32
So then, we think we can do that. And my first question doing this --
48
127000
4000
Uważaliśmy, że możemy to zrobić. Moje pierwsze pytanie podczas pisania --
02:36
or one of my questions doing this -- was how can you make
49
131000
1000
a właściwie to jedno z pierwszych- brzmiało: W jaki sposób można ułożyć
02:38
an arbitrary shape or pattern out of DNA? And I decided to use
50
133000
3000
nić DNA w dowolny kształt lub wzór? Postanowiłem do tego celu użyć
02:41
a type of DNA origami, where you take a long strand of DNA
51
136000
3000
origami DNA; to metoda, w której nitkę DNA
02:44
and fold it into whatever shape or pattern you might want.
52
139000
3000
zwijamy w dowolny kształt czy wzór.
02:47
So here's a shape. I actually spent about a year in my home,
53
142000
3000
A oto kształt. Właściwie to spędziłem w domu prawie rok,
02:50
in my underwear, coding, like Linus [Torvalds], in that picture before.
54
145000
3000
siedząc w bieliźnie i kodując, zupełnie jak Linus [Torvalds], na poprzednim obrazku.
02:54
And this program takes a shape, spits out 250 DNA sequences.
55
149000
3000
I tak program ten nabiera kształtu, aktualnie wyrzucając 250 krótkich sekwencji DNA.
02:57
These short DNA sequences are what are going to fold the long strand
56
152000
3000
Krótkie odcinki DNA, tak zwane spinacze służą do zwijania długiej nici
03:00
into this shape that we want to make. So you send an e-mail
57
155000
3000
w dowolny kształt, taki jaki chcemy uzyskać. Po prostu wysyłamy e-maila
03:03
with these sequences in it to a company, and what it does --
58
158000
3000
zawierającego odpowiednie sekwencje do wykonawcy, a oto co następuje -
03:07
the company pronounces them on a DNA synthesizer.
59
162000
1000
wykonawca odczytuje je na syntezatorze DNA.
03:09
It's a machine about the size of a photocopier. And what happens is,
60
164000
3000
Syntezator DNA to maszyna rozmiarów mniej więcej ksera.
03:12
they take your e-mail and every letter in your e-mail,
61
167000
2000
Kiedy nasz e-mail zostanie odebrany, każda zawarta w nim litera
03:14
they replace with 30-atom cluster -- one for each letter,
62
169000
3000
zostaje zastąpiona klasterem składającym się z 30 atomów.
03:17
A, T, C, and G in DNA. They string them up in the right sequence,
63
172000
3000
A, T, C czy G w cząsteczce DNA. Następnie klastery zostają ułożone w odpowiedniej kolejności
03:21
and then they send them back to you via FedEx.
64
176000
1000
odsyłane ”przesyłką kurierską” z powrotem do nas.
03:23
So you get 250 of these in the mail in little tubes.
65
178000
1000
I tak otrzymujemy 250 krótkich odcinków DNA w probówkach.
03:25
I mix them together, add a little bit of salt water,
66
180000
3000
Mieszamy je wszystkie razem w roztworze chlorku sodu
03:28
and then add this long strand I was telling you about,
67
183000
2000
dodając wspomnianą wcześniej długą nić DNA,
03:30
that I've stolen from a virus. And then what happens is,
68
185000
2000
skradzioną od wirusów. A oto co następuje.
03:33
you heat this whole thing up to about boiling. You cool it down
69
188000
3000
Najpierw całość ogrzewamy do wrzenia, a następnie chłodzimy
03:37
to room temperature, and as you do,
70
192000
1000
do temperatury pokojowej. Spójrzmy,
03:38
what happens is those short strands, they do the following thing:
71
193000
2000
co dzieje się ze spinaczami po ochłodzeniu roztworu.
03:41
each one of them binds that long strand in one place,
72
196000
3000
Każdy taki spinacz łączy dwa oddalone
03:44
and then has a second half that binds that long strand
73
199000
2000
od siebie odcinki długiej nici,
03:47
in a distant place, and brings those two parts of the long strand
74
202000
3000
dzięki czemu odległe fragmenty DNA zbliżają się do siebie,
03:50
close together so that they stick together.
75
205000
2000
tak by połączyć się.
03:52
And so the net effect of all 250 of these strands is to fold
76
207000
3000
W efekcie 250 takich spinaczy umożliwia ułożenie
03:55
the long strand into the shape that you're looking for.
77
210000
4000
jednej długiej nici DNA w pożądany kształt.
03:59
It'll approximate that shape. We do this for real in the test tube.
78
214000
3000
Może być to mniej więcej taki kształt. Eksperyment przeprowadzamy w probówkach.
04:02
In each little drop of water you get 50 billion of these guys.
79
217000
3000
W jednej małej kropli wody mamy 50 miliardów takich „kolesi”.
04:05
You can look with a microscope and see them on a surface.
80
220000
2000
Możemy spojrzeć pod mikroskop i je zobaczyć.
04:08
And the neat thing is that if you change the sequence
81
223000
1000
Świetne jest to, że jeżeli zmienimy kolejność
04:09
and change the spell, you just change the sequence of the staples.
82
224000
4000
i zaklęcie, zmienimy również sposób ułożenia spinaczy.
04:13
You can make a molecule that looks like this, and, you know,
83
228000
3000
Możemy zrobić cząsteczki wyglądające na przykład tak, i wiecie co?
04:16
he likes to hang out with his buddies, right.
84
231000
2000
On bardzo lubi spędzać czas ze swoimi „kumplami”.
04:19
And a lot of them are actually pretty good.
85
234000
1000
Wielu z nich jest naprawdę dobrych.
04:21
If you change the spell again, you change the sequence again.
86
236000
2000
Jeżeli znowu zmienimy zaklęcie, ponownie zmienimy kolejność.
04:23
You get really nice 130 nanometer triangles. If you do it again,
87
238000
4000
I tak oto mamy bardzo ładny trójkąt wielkości 130 nanometrów. Jeżeli zrobimy to jeszcze raz,
04:27
you can get arbitrary patterns. So on a rectangle
88
242000
3000
otrzymamy inny wzór. Na przykład na prostokącie
04:30
you can paint patterns of North and South America, or the words, "DNA."
89
245000
5000
możemy „namalować” kontynenty obu Ameryk, czy też słowo „DNA”.
04:35
So that's DNA origami. That's one way. There are many ways
90
250000
4000
Na tym właśnie polega origami DNA. Jest to jedna z możliwości. Istnieje wiele innych sposobów
04:39
of casting molecular spells using DNA.
91
254000
3000
rzucania zaklęć z użyciem cząsteczki DNA
04:42
What we really want to do in the end is learn how to program
92
257000
3000
To czego chcielibyśmy się wreszcie nauczyć, to takiego sposobu programowania
04:45
self-assembly so that we can build anything, right?
93
260000
3000
samoorganizujących się struktur, byśmy mogli budować właściwie wszystko.
04:48
We want to be able to build technological artifacts
94
263000
2000
Chcielibyśmy mieć zdolność tworzenia artefaktów technologicznych,
04:50
that are maybe good for the world. We want to learn
95
265000
2000
które być może byłyby użyteczne dla świata. Chcielibyśmy też nauczyć się
04:52
how to build biological artifacts, like people and whales and trees.
96
267000
4000
budowania artefaktów biologicznych, takich jak: ludzie, wieloryby, czy drzewa.
04:57
And if it's the case that we can reach that level of complexity,
97
272000
2000
Pragniemy osiągnąć taki poziom zaawansowania,
04:59
if our ability to program molecules gets to be that good,
98
274000
3000
żeby nasze możliwości programowania cząsteczek były tak dobre,
05:03
then that will truly be magic. Thank you very much.
99
278000
3000
by naprawdę stały się magią. Dziękuję bardzo.
05:06
(Applause)
100
281000
1000
(Oklaski)
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