ABOUT THE SPEAKER
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.

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.

More profile about the speaker
Paul Rothemund | Speaker | TED.com
TED2008

Paul Rothemund: DNA folding, in detail

Paul Rothemund 详细讲述 DNA 折叠

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2007年,Paul Rothemund 给TED做了一个关于他自己研究方向,DNA折叠的概述演讲.这一次,他陈述了大量清楚的细节来描述这一领域的广阔前景----来建造极小的机器并让它们进行自我组装.
- 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

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So, people argue争论 vigorously大力 about the definition定义 of life.
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人们总在激烈的争执生命的定义
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They ask if it should have reproduction再生产 in it, or metabolism代谢, or evolution演化.
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5000
它是否应该具有生殖,新陈代谢或者进化这些特征
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And I don't know the answer回答 to that, so I'm not going to tell you.
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2000
我也不知道这个问题的答案,所以我不会和你们说这些
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I will say that life involves涉及 computation计算.
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3000
我要说的是生命中有计算的过程
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So this is a computer电脑 program程序.
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这是一个计算机程序
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Booted启动 up in a cell细胞, the program程序 would execute执行,
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包含在细胞里,这个程序将来会执行
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and it could result结果 in this person;
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执行的结果就是诞生了这样一个人
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or with a small change更改, it could result结果 in this person;
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或者有些小的变动,它就会造出这样的一个人
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or another另一个 small change更改, this person;
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又或者有一些其它的变动,就会是这个人
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or with a larger change更改, this dog,
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或者是个大一点的变化,也许会变成这只狗
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or this tree, or this whale.
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或者是这棵树,或是这条鲸鱼
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So now, if you take this metaphor隐喻
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如果你来认真看待
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[of] genome基因组 as program程序 seriously认真地,
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把基因组比成一个程序这样的比喻
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you have to consider考虑 that Chris克里斯 Anderson安德森
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你得把Chris Anderson (TED的创始人)
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is a computer-fabricated计算机制造的 artifact神器, as is Jim吉姆 Watson沃森,
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想成是一样电脑合成的制品,就像Jim Watson(DNA结构的发现者之一)
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Craig克雷格 Venter腹部, as are all of us.
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Craig Venter(最早开始研究人类基因组序列的科学家之一) 以及我们每一个人一样.
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And in convincing使人信服 yourself你自己 that this metaphor隐喻 is true真正,
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为了说服你自己这个比喻是真的
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there are lots of similarities相似之处 between之间 genetic遗传 programs程式
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如果注意到基因组程序和电脑程序
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and computer电脑 programs程式 that could help to convince说服 you.
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的许多共同点, 那这可以帮助你相信这个比喻
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But one, to me, that's most compelling引人注目
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但最吸引我的一点
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is the peculiar奇特 sensitivity灵敏度 to small changes变化
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是对微小变化的特殊敏感性
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that can make large changes变化 in biological生物 development发展 -- the output产量.
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造就了生物进化中的大的改变
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A small mutation突变 can take a two-wing两翼 fly
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一个很小的变异可以把一个双翅的苍蝇
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and make it a four-wing四翼 fly.
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变成一个四支翅膀的苍蝇
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Or it could take a fly and put legs where its antennae天线 should be.
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4000
或者也可以把这个苍蝇的腿长在它本该长触角的地方
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Or if you're familiar with "The Princess公主 Bride新娘,"
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2000
或者,如果你对"公主新娘"这个电影很熟悉的话
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it could create创建 a six-fingered六指 man.
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小的变异也可能造就一个有六个指头的人
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Now, a hallmark特点 of computer电脑 programs程式
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现在, 电脑程序的一个重要特点
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is just this kind of sensitivity灵敏度 to small changes变化.
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71000
3000
就是可以有像(生物世界里)这样的对微小变化的敏感性
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If your bank银行 account's帐户的 one dollar美元, and you flip翻动 a single bit,
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如果你的银行帐户里有一美元, 你只需要把这一位上的数换一下
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you could end结束 up with a thousand dollars美元.
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你就能有一千美元
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So these small changes变化 are things that I think
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所以就是这些小的变化让我想到
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that -- they indicate表明 to us that a complicated复杂 computation计算
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它们暗示着一个复杂计算过程
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in development发展 is underlying底层 these amplified放大, large changes变化.
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83000
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总是暗藏在这些被放大的变化背后
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So now, all of this indicates指示 that there are molecular分子 programs程式 underlying底层 biology生物学,
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6000
所以,所有这些都在暗示着在生物中隐含着分子程序
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and it shows节目 the power功率 of molecular分子 programs程式 -- biology生物学 does.
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4000
而且生物本身也体现了这些分子程序的强大力量
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And what I want to do is write molecular分子 programs程式,
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我想做的是写一些有潜力
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potentially可能 to build建立 technology技术.
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发展为技术的分子程序
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And there are a lot of people doing this,
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而且有很多人也致力于这一方向
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a lot of synthetic合成的 biologists生物学家 doing this, like Craig克雷格 Venter腹部.
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有很多合成生物学家在做这些,比如 Craig Venter
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And they concentrate集中 on using运用 cells细胞.
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他们集中精力在利用细胞上
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They're cell-oriented细胞为本.
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是细胞指向的
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So my friends朋友, molecular分子 programmers程序员, and I
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我的朋友,分子程序师们以及我自己
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have a sort分类 of biomolecule-centric生物分子中心 approach途径.
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有一套以生物-分子为中心的研究方法
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We're interested有兴趣 in using运用 DNA脱氧核糖核酸, RNARNA and protein蛋白,
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我们想要利用DNA, RNA 以及蛋白质
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and building建造 new languages语言 for building建造 things from the bottom底部 up,
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为从头开始构建全新的事物创造一种语言
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using运用 biomolecules生物分子,
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利用生物分子
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potentially可能 having nothing to do with biology生物学.
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我们希望将来能把这些用在生物学以外的其它领域中.
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So, these are all the machines in a cell细胞.
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细胞中有所有这些"机器"
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There's a camera相机.
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这是一部照相机
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There's the solar太阳能 panels面板 of the cell细胞,
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1000
这是细胞中的太阳能电池板
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some switches开关 that turn your genes基因 on and off,
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这是些调控基因的开关
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the girders大梁 of the cell细胞, motors马达 that move移动 your muscles肌肉.
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3000
这是细胞的大梁, 和驱动肌肉的马达.
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My little group of molecular分子 programmers程序员
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2000
我的分子程序研究小组
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are trying to refashion重塑 all of these parts部分 from DNA脱氧核糖核酸.
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4000
正在试图从DNA开始重新设计所有这些部件
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We're not DNA脱氧核糖核酸 zealots狂热者, but DNA脱氧核糖核酸 is the cheapest最便宜,
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2000
我们并不是DNA的狂热爱好者,但DNA是最便宜的
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easiest最简单的 to understand理解 and easy简单 to program程序 material材料 to do this.
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3000
最容易理解的, 而且也适合于对其编程从而实现目的的.
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And as other things become成为 easier更轻松 to use --
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如果其它的分子变得成容易去利用
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maybe protein蛋白 -- we'll work with those.
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例如蛋白质,我们也将会利用的.
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If we succeed成功, what will molecular分子 programming程序设计 look like?
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2000
如果我们成功了,分子编程会是什么样子的呢?
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You're going to sit in front面前 of your computer电脑.
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2000
你将坐在你的电脑面前
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You're going to design设计 something like a cell细胞 phone电话,
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155000
2000
你将能设计一些东西,比如手机
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and in a high-level高水平 language语言, you'll你会 describe描述 that cell细胞 phone电话.
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157000
2000
而且如果你用一种高级语言,你将能描绘这部手机
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Then you're going to have a compiler编译器
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159000
2000
之后你得有一部编译器
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that's going to take that description描述
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1000
这部编译器将会接收这些指令
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and it's going to turn it into actual实际 molecules分子
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2000
然后把它变成真正的分子
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that can be sent发送 to a synthesizer合成
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2000
这些分子能被送到合成器
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and that synthesizer合成 will pack those molecules分子 into a seed种子.
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166000
3000
合成器又能把这些分子组装在一起变成一个种子
03:01
And what happens发生 if you water and feed饲料 that seed种子 appropriately适当,
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169000
3000
如果你接着给它浇水而且好好栽培它呢?
03:04
is it will do a developmental发展的 computation计算,
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172000
2000
它会进化成一个计算过程吗?
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a molecular分子 computation计算, and it'll它会 build建立 an electronic电子 computer电脑.
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174000
3000
一个分子计算过程,而且建立起一个电子计算机.
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And if I haven't没有 revealed透露 my prejudices偏见 already已经,
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177000
2000
如果我还没透露我的观点的话
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I think that life has been about molecular分子 computers电脑
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2000
我认为生命的过程是从分子计算机开始
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building建造 electrochemical电化学 computers电脑,
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2000
建造电子化学的计算机
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building建造 electronic电子 computers电脑,
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2000
再接着建电子计算机
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which哪一个 together一起 with electrochemical电化学 computers电脑
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而这些电子计算机和电子化学的计算机
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will build建立 new molecular分子 computers电脑,
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188000
2000
将会创造出新的分子计算机
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which哪一个 will build建立 new electronic电子 computers电脑, and so forth向前.
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190000
3000
这些新计算机又将会建造新的电子计算机,如此继续下去
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And if you buy购买 all of this,
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1000
如果你相信所有这些的话
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and you think life is about computation计算, as I do,
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194000
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而且如果你像我一样相信生命全是关于计算的话
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then you look at big questions问题 through通过 the eyes眼睛 of a computer电脑 scientist科学家.
80
196000
3000
那你就是在用一个计算机科学家的眼光来看一个重要问题
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So one big question is, how does a baby宝宝 know when to stop growing生长?
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199000
4000
一个重要的问题是,婴儿是怎么知道什么时候停止生长的呢?
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And for molecular分子 programming程序设计,
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2000
作为一个分子程序员
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the question is how does your cell细胞 phone电话 know when to stop growing生长?
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205000
2000
这个问题就相当于,你的手机如果知道什么时候停止生长
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(Laughter笑声)
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207000
1000
(笑声)
03:40
Or how does a computer电脑 program程序 know when to stop running赛跑?
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208000
3000
或者说一个电脑程序如何知道什么时候停止运行
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Or more to the point, how do you know if a program程序 will ever stop?
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211000
3000
或者更具体点, 你怎么知道一个程序将有可能会停下来
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There are other questions问题 like this, too.
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214000
2000
当然还有其它类似的问题
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One of them is Craig克雷格 Venter'sVenter的 question.
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216000
2000
其中一个就是Cragi Venter的问题
03:50
Turns out I think he's actually其实 a computer电脑 scientist科学家.
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218000
2000
其实我认为他实际上是一个计算机科学家
03:52
He asked, how big is the minimal最小 genome基因组
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220000
3000
他问,能发展成一个微型生物体
03:55
that will give me a functioning功能 microorganism微生物?
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223000
2000
的最小基因组需要有多大
03:57
How few少数 genes基因 can I use?
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225000
2000
我能少用几个基因?
03:59
This is exactly究竟 analogous类似 to the question,
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227000
2000
这个问题其实和,我能写的
04:01
what's the smallest最少 program程序 I can write
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229000
1000
能实现像微软的Word一样功能的最小的程序有多小
04:02
that will act法案 exactly究竟 like Microsoft微软 Word?
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230000
2000
是很类似的
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(Laughter笑声)
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232000
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(笑声)
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And just as he's writing写作, you know, bacteria that will be smaller,
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233000
4000
而且在他研究基因组的时候,你知道,细菌将会变小
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he's writing写作 genomes基因组 that will work,
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237000
1000
他在研究的基因组能发挥功能
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we could write smaller programs程式
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238000
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我们也能写更小的程序
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that would do what Microsoft微软 Word does.
100
240000
2000
而且让它完成像微软的"Word"的一样的功能
04:14
But for molecular分子 programming程序设计, our question is,
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242000
2000
但对于分子程序来说,我们的问题是
04:16
how many许多 molecules分子 do we need to put in that seed种子 to get a cell细胞 phone电话?
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4000
我们需要放多少分子到种子里而能让它"长"成一部手机
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What's the smallest最少 number we can get away with?
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248000
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我们需要的最小数量是多少
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Now, these are big questions问题 in computer电脑 science科学.
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250000
2000
现在,计算科学领域有一个重大的问题
04:24
These are all complexity复杂 questions问题,
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252000
2000
这些都是复杂的问题
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and computer电脑 science科学 tells告诉 us that these are very hard questions问题.
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254000
2000
而且计算科学家告诉我们这些都是相当困难的问题
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Almost几乎 -- many许多 of them are impossible不可能.
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256000
2000
几乎,或者说大部分都是不可能回答的
04:30
But for some tasks任务, we can start开始 to answer回答 them.
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258000
3000
但对于其中的一些,我们可以开始尝试回答
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So, I'm going to start开始 asking those questions问题
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261000
1000
所以, 我现在要开始问这些
04:34
for the DNA脱氧核糖核酸 structures结构 I'm going to talk about next下一个.
110
262000
3000
关于DNA结构的问题了,这也是我下面要讨论的
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So, this is normal正常 DNA脱氧核糖核酸, what you think of as normal正常 DNA脱氧核糖核酸.
111
265000
3000
在一个正常的DNA里,那种你认为是正常的DNA
04:40
It's double-stranded双链, it's a double helix螺旋,
112
268000
2000
它有两股,是双螺旋
04:42
has the As, TsTS, Cs and GsGS that pair to hold保持 the strands together一起.
113
270000
3000
因为有A,T,C,G这些碱基才能把两股维系在一起
04:45
And I'm going to draw it like this sometimes有时,
114
273000
2000
我下面会用这种方式代表DNA结构
04:47
just so I don't scare you.
115
275000
2000
希望不会吓到你们
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We want to look at individual个人 strands and not think about the double helix螺旋.
116
277000
3000
我们只看这两股中的一股,不把它想成是双螺旋
04:52
When we synthesize合成 it, it comes single-stranded单链,
117
280000
3000
当我们合成的时候,我们先合成单股的
04:55
so we can take the blue蓝色 strand in one tube
118
283000
3000
这样我们可以在一个试管里合成这股蓝色的
04:58
and make an orange橙子 strand in the other tube,
119
286000
2000
而在另一个试管里合成这条橙色的
05:00
and they're floppy软盘 when they're single-stranded单链.
120
288000
2000
它们在单股的时候是松软的
05:02
You mix混合 them together一起 and they make a rigid死板 double helix螺旋.
121
290000
3000
但当你把它们混合在一起的时候,他们就形成了稳固的双螺旋
05:05
Now for the last 25 years年份,
122
293000
2000
在过去的二十五年里
05:07
Ned斯内德 Seeman西曼 and a bunch of his descendants后人
123
295000
2000
Ned Seeman(纽约大学化学系的一名教授,致力于DNA结构相关的纳米技术的研究)和几个他的学生
05:09
have worked工作 very hard and made制作 beautiful美丽 three-dimensional三维 structures结构
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297000
3000
一直在辛苦研究,并利用这类DNA单股合在一起的反应
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using运用 this kind of reaction反应 of DNA脱氧核糖核酸 strands coming未来 together一起.
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300000
3000
做出了漂亮的三维结构
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But a lot of their approaches方法, though虽然 elegant优雅, take a long time.
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303000
3000
他们多数的方法虽然很精致,但需要很长的时间
05:18
They can take a couple一对 of years年份, or it can be difficult to design设计.
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306000
3000
也许会需要两三年的时间,或者会特别难以设计
05:21
So I came来了 up with a new method方法 a couple一对 of years年份 ago
128
309000
3000
所以我几年前想出了这样一个新方法
05:24
I call DNA脱氧核糖核酸 origami折纸
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312000
1000
我叫它DNA"折纸"
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that's so easy简单 you could do it at home in your kitchen厨房
130
313000
2000
这是项很简单的技术,你甚至可以在自家的厨房里完成
05:27
and design设计 the stuff东东 on a laptop笔记本电脑.
131
315000
2000
并用笔记本电脑设计这些东西
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But to do it, you need a long, single strand of DNA脱氧核糖核酸,
132
317000
3000
不过,为了做这些,你需要一个长的单股DNA
05:32
which哪一个 is technically技术上 very difficult to get.
133
320000
2000
而从技术角度讲,这种DNA又很难得到
05:34
So, you can go to a natural自然 source资源.
134
322000
2000
所以,你可以找一个自然的来源
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You can look in this computer-fabricated计算机制造的 artifact神器,
135
324000
2000
现在来看这个电脑合成的加工品
05:38
and he's got a double-stranded双链 genome基因组 -- that's no good.
136
326000
2000
他有一个并不太好的双股的基因组
05:40
You look in his intestines. There are billions数十亿 of bacteria.
137
328000
3000
来看他的肠子, 有几十亿的细菌
05:43
They're no good either.
138
331000
2000
这也不太妙
05:45
Double strand again, but inside them, they're infected感染 with a virus病毒
139
333000
2000
这确实也是双股的,但在内部,它被病毒感染了
05:47
that has a nice不错, long, single-stranded单链 genome基因组
140
335000
3000
其内部有一个很好的长长的单股基因组
05:50
that we can fold like a piece of paper.
141
338000
2000
我们可以折叠这个基因组,就像折叠一张纸
05:52
And here's这里的 how we do it.
142
340000
1000
以下是我们如何做的
05:53
This is part部分 of that genome基因组.
143
341000
1000
这是基因组的一部分
05:54
We add a bunch of short, synthetic合成的 DNAs的DNA that I call staples主食.
144
342000
3000
我们加入一些短小的合成的DNA结构, 我把这些短链叫作 "订书针"
05:57
Each one has a left half that binds结合 the long strand in one place地点,
145
345000
4000
每一个都有一小段可以和长链在某一个地方结全起来
06:01
and a right half that binds结合 it in a different不同 place地点,
146
349000
3000
而另一小段可以结合在长链的另一个地方
06:04
and brings带来 the long strand together一起 like this.
147
352000
2000
这样就可以把整个长链改变成这样的结构
06:07
The net action行动 of many许多 of these on that long strand
148
355000
2000
许多这些小DNA和长链结合的总结果就是
06:09
is to fold it into something like a rectangle长方形.
149
357000
2000
把长链折叠成一个类似于长方形的形状
06:11
Now, we can't actually其实 take a movie电影 of this process处理,
150
359000
2000
目前为止,我们还不能把这一过程拍成电影
06:13
but Shawn肖恩 Douglas道格拉斯 at Harvard哈佛
151
361000
2000
但是哈佛大学的Shawn Douglas
06:15
has made制作 a nice不错 visualization可视化 for us
152
363000
2000
为我们做了一个很棒的视觉展示
06:17
that begins开始 with a long strand and has some short strands in it.
153
365000
4000
起初的时候有一条长长的链和一些短小的链
06:21
And what happens发生 is that we mix混合 these strands together一起.
154
369000
4000
然后我们把它们混合在一起
06:25
We heat them up, we add a little bit of salt,
155
373000
2000
之后加热,并加一点盐
06:27
we heat them up to almost几乎 boiling沸腾 and cool them down,
156
375000
2000
把它们加热到几乎到沸腾了,再冷却下来
06:29
and as we cool them down,
157
377000
1000
在冷却的过程中
06:30
the short strands bind捆绑 the long strands
158
378000
2000
那些短小的链会和长链
06:32
and start开始 to form形成 structure结构体.
159
380000
2000
开始形成结构
06:34
And you can see a little bit of double helix螺旋 forming成型 there.
160
382000
3000
你能在这看到有一点双螺旋形成了
06:38
When you look at DNA脱氧核糖核酸 origami折纸,
161
386000
2000
当你看DNA"折纸"的时候
06:40
you can see that what it really is,
162
388000
3000
你能看到它实际上到底是什么
06:43
even though虽然 you think it's complicated复杂,
163
391000
1000
即使你认为它是个很复杂的东西
06:44
is a bunch of double helices螺旋 that are parallel平行 to each other,
164
392000
3000
其实只是一些双螺旋平行排列在一起
06:47
and they're held保持 together一起
165
395000
2000
它们之所以能组合在一起
06:49
by places地方 where short strands go along沿 one helix螺旋
166
397000
2000
是因为有那些短小链一端和一个螺旋结合
06:51
and then jump to another另一个 one.
167
399000
2000
同时另一端再和另一处结合
06:53
So there's a strand that goes like this, goes along沿 one helix螺旋 and binds结合 --
168
401000
3000
所以会有这样的一些链,和一个螺旋并行结合
06:56
it jumps跳跃 to another另一个 helix螺旋 and comes back.
169
404000
2000
同时又跳到另一条螺旋上再回来
06:58
That holds持有 the long strand like this.
170
406000
2000
这样能把长链组装成这个样子
07:00
Now, to show显示 that we could make any shape形状 or pattern模式
171
408000
3000
为了展示我们能做成各种我们想要的形状和样式
07:03
that we wanted, I tried试着 to make this shape形状.
172
411000
2000
我想做这样一个形状
07:06
I wanted to fold DNA脱氧核糖核酸 into something that goes up over the eye,
173
414000
2000
我想让DNA这样向上越过眼睛
07:08
down the nose鼻子, up the nose鼻子, around the forehead前额,
174
416000
3000
到鼻子下面,再回到鼻子上面,绕过额头
07:11
back down and end结束 in a little loop循环 like this.
175
419000
3000
再回到下面,像这样完全一个圈
07:14
And so, I thought, if this could work, anything could work.
176
422000
3000
然后我想如果能做成这个形状,那任何其它形状都可以
07:17
So I had the computer电脑 program程序 design设计 the short staples主食 to do this.
177
425000
3000
之后我用电脑程序来设计小的"订书针"来实现这个目标
07:20
I ordered有序 them; they came来了 by FedEx联邦快递.
178
428000
2000
我订购了这些,联邦快运送来的
07:22
I mixed them up, heated加热 them, cooled冷却 them down,
179
430000
2000
把它们混合起来,加热再冷却下来
07:24
and I got 50 billion十亿 little smiley笑脸 faces面孔
180
432000
4000
得到了每滴水中有五百亿个微小
07:28
floating漂浮的 around in a single drop下降 of water.
181
436000
2000
的"笑脸"瓢游着.
07:30
And each one of these is just
182
438000
2000
而且每一个都只有
07:32
one-thousandth千分之一 the width宽度 of a human人的 hair头发, OK?
183
440000
4000
人类头发的一千之分一那么细.
07:36
So, they're all floating漂浮的 around in solution, and to look at them,
184
444000
3000
它们在水里飘浮着,为了能看清楚
07:39
you have to get them on a surface表面 where they stick.
185
447000
2000
你需要能找到一个表面能让这些"笑脸"粘在上面
07:41
So, you pour them out onto a surface表面
186
449000
2000
所以,你把它们倒入一个表面上
07:43
and they start开始 to stick to that surface表面,
187
451000
2000
它们开始粘在这个表面上
07:45
and we take a picture图片 using运用 an atomic-force原子力 microscope显微镜.
188
453000
2000
我们再用原子显微镜来照张相
07:47
It's got a needle, like a record记录 needle,
189
455000
2000
原子显微镜有一个针,像是个记录针
07:49
that goes back and forth向前 over the surface表面,
190
457000
2000
在表面上往返运动
07:51
bumps颠簸 up and down, and feels感觉 the height高度 of the first surface表面.
191
459000
3000
一会上一会下来感觉表面的高低
07:54
It feels感觉 the DNA脱氧核糖核酸 origami折纸.
192
462000
2000
它能感觉到DNA"折纸"
07:56
There's the atomic-force原子力 microscope显微镜 working加工
193
464000
2000
这里有一个原子显微镜在工作
07:59
and you can see that the landing's降落的 a little rough.
194
467000
1000
你能看到表面有一点起伏不平
08:00
When you zoom放大 in, they've他们已经 got, you know,
195
468000
2000
当你放大来看,这些"笑脸"
08:02
weak jaws that flip翻动 over their heads
196
470000
1000
有些下巴与额头重叠在一起
08:03
and some of their noses鼻子 get punched out, but it's pretty漂亮 good.
197
471000
3000
有些"笑脸"的鼻子被打了,但总体来说是不错的
08:06
You can zoom放大 in and even see the extra额外 little loop循环,
198
474000
2000
你能继续放大,看到更小的多出来的小圈
08:08
this little nano-goatee纳米山羊胡子.
199
476000
2000
这些小小的纳米级的山羊胡子
08:10
Now, what's great about this is anybody任何人 can do this.
200
478000
3000
现在,这项技术的好处在于任何人都能做到
08:13
And so, I got this in the mail邮件 about a year after I did this, unsolicited不请自来.
201
481000
4000
我一年前在邮件里收到了别人自发寄来的这样东西
08:17
Anyone任何人 know what this is? What is it?
202
485000
3000
有人知道这是什么吗?
08:20
It's China中国, right?
203
488000
2000
是中国的版图
08:22
So, what happened发生 is, a graduate毕业 student学生 in China中国,
204
490000
2000
事情是这样的,一个中国的研究生
08:24
Lulu露露 Qian, did a great job工作.
205
492000
2000
钱露露(音译),做了一个很棒的工作
08:26
She wrote all her own拥有 software软件
206
494000
2000
她自己写了程序
08:28
to design设计 and built内置 this DNA脱氧核糖核酸 origami折纸,
207
496000
2000
来设计并构建这些DNA 折纸
08:30
a beautiful美丽 rendition翻译 of China中国, which哪一个 even has Taiwan台湾,
208
498000
3000
一份十分漂亮的中国版图,还包括台湾
08:33
and you can see it's sort分类 of on the world's世界 shortest最短 leash皮带, right?
209
501000
3000
而且你能看到可能是世界上最短的一条绳子了,是吧?
08:36
(Laughter笑声)
210
504000
2000
(笑声)
08:39
So, this works作品 really well
211
507000
1000
所以这个方法确实很好用
08:41
and you can make patterns模式 as well as shapes形状, OK?
212
509000
2000
而且除了形状外你还能设计不同的样式
08:44
And you can make a map地图 of the Americas美洲 and spell拼写 DNA脱氧核糖核酸 with DNA脱氧核糖核酸.
213
512000
3000
你可以做一张美国的地图,并用DNA来拼写"DNA"这个单词
08:47
And what's really neat整齐 about it --
214
515000
3000
最精彩的是
08:50
well, actually其实, this all looks容貌 like nano-artwork纳米艺术品,
215
518000
2000
这些看上去都像是纳米级的艺术品
08:52
but it turns out that nano-artwork纳米艺术品
216
520000
1000
但实际上纳米级的艺术品
08:53
is just what you need to make nano-circuits纳米电路.
217
521000
2000
其实就是建造纳米级的电路板所需要的东西
08:55
So, you can put circuit电路 components组件 on the staples主食,
218
523000
2000
所以,你可以把电路板的组件安在这些"订书针"上
08:57
like a light bulb灯泡 and a light switch开关.
219
525000
2000
就像一个电灯泡和一个灯的开关
08:59
Let the thing assemble集合, and you'll你会 get some kind of a circuit电路.
220
527000
3000
让这些东西组装起来,你就能得到一个电路板
09:02
And then you can maybe wash the DNA脱氧核糖核酸 away and have the circuit电路 left over.
221
530000
3000
之后可以把DNA洗掉,而就只剩下电路板
09:05
So, this is what some colleagues同事 of mine at Caltech加州理工学院 did.
222
533000
2000
这是我在加州理工大学的一些同事们做的工作
09:07
They took a DNA脱氧核糖核酸 origami折纸, organized有组织的 some carbon nano-tubes纳米管,
223
535000
3000
他们把DNA"折纸",和用有机分子修饰过的碳纳米管
09:10
made制作 a little switch开关, you see here, wired有线 it up,
224
538000
2000
来组装成小的开关,看这里,把它绕起来
09:12
tested测试 it and showed显示 that it is indeed确实 a switch开关.
225
540000
3000
测试后发现它真的是一个开关
09:15
Now, this is just a single switch开关
226
543000
2000
现在它只是单个开关
09:17
and you need half a billion十亿 for a computer电脑, so we have a long way to go.
227
545000
4000
你需要五亿个这样的单元来组装电脑,所以我们还有很长的路要走
09:21
But this is very promising有希望
228
549000
2000
但这却是很有前景的
09:23
because the origami折纸 can organize组织 parts部分 just one-tenth十分之一 the size尺寸
229
551000
5000
因为这些"折纸"能组装只有普通电脑组件十分之一
09:28
of those in a normal正常 computer电脑.
230
556000
1000
那么大的组件
09:29
So it's very promising有希望 for making制造 small computers电脑.
231
557000
3000
所以这项技术是很有前景能组装出小计算机的
09:32
Now, I want to get back to that compiler编译器.
232
560000
3000
现在,我想再回去编译器的话题上
09:35
The DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 is a proof证明 that that compiler编译器 actually其实 works作品.
233
563000
3000
DNA"折纸"能证明编译器是真的能工作的
09:39
So, you start开始 with something in the computer电脑.
234
567000
2000
所以,你在电脑里开始了某一项工作
09:41
You get a high-level高水平 description描述 of the computer电脑 program程序,
235
569000
3000
你有一个高级的关于电脑程序的说明
09:44
a high-level高水平 description描述 of the origami折纸.
236
572000
2000
一个高级的关于"折纸"的说明
09:46
You can compile it to molecules分子, send发送 it to a synthesizer合成,
237
574000
3000
你能把这些编译成分子,把它发给组装的人
09:49
and it actually其实 works作品.
238
577000
1000
而且它还确实可以工作
09:50
And it turns out that a company公司 has made制作 a nice不错 program程序
239
578000
4000
事实上有个公司发明了一个很好的程序
09:54
that's much better than my code, which哪一个 was kind of ugly丑陋,
240
582000
2000
一个比我的丑陋程序要好得多的程序
09:56
and will allow允许 us to do this in a nice不错,
241
584000
1000
这个程序能让我们更好的实现设计过程
09:57
visual视觉, computer-aided电脑辅助 design设计 way.
242
585000
2000
用一种电脑辅助的视觉设计方法
10:00
So, now you can say, all right,
243
588000
1000
现在,你就能明白
10:01
why isn't DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 the end结束 of the story故事?
244
589000
2000
为什么DNA "折纸"不是一个终结
10:03
You have your molecular分子 compiler编译器, you can do whatever随你 you want.
245
591000
2000
你有分子的编译器,你能用它实现任何你想做的事
10:05
The fact事实 is that it does not scale规模.
246
593000
3000
问题是它不能大规模生产
10:08
So if you want to build建立 a human人的 from DNA脱氧核糖核酸 origami折纸,
247
596000
3000
所以如果你想从DNA"折纸"起发展成一个人
10:11
the problem问题 is, you need a long strand
248
599000
2000
问题是,你需要很长的一股DNA
10:13
that's 10 trillion trillion bases基地 long.
249
601000
3000
大概需要有十万亿万亿碱基的DNA链
10:16
That's three light years'年份' worth价值 of DNA脱氧核糖核酸,
250
604000
2000
相当于三光年长的DNA
10:18
so we're not going to do this.
251
606000
2000
所以我们不能这么做
10:20
We're going to turn to another另一个 technology技术,
252
608000
2000
我们得用别的技术
10:22
called algorithmic算法 self-assembly自组装 of tiles瓷砖.
253
610000
2000
一种叫作模块的算术自行组装的方法
10:24
It was started开始 by Erik埃里克 WinfreeWinfree,
254
612000
2000
这项技术是由Erik Winfree 发明的
10:26
and what it does,
255
614000
1000
这项技术是
10:27
it has tiles瓷砖 that are a hundredth第一百 the size尺寸 of a DNA脱氧核糖核酸 origami折纸.
256
615000
4000
它有一些大约是DNA"折纸"百分之一长度的模块
10:31
You zoom放大 in, there are just four DNA脱氧核糖核酸 strands
257
619000
2000
如果你放大来看,那有四股DNA
10:34
and they have little single-stranded单链 bits on them
258
622000
2000
这上面有很小的单股的小片段
10:36
that can bind捆绑 to other tiles瓷砖, if they match比赛.
259
624000
2000
如果相互匹配,这些小片段可以和别的模块连接在一起
10:38
And we like to draw these tiles瓷砖 as little squares广场.
260
626000
3000
我们用小的正方形来代表这些模块
10:42
And if you look at their sticky ends结束, these little DNA脱氧核糖核酸 bits,
261
630000
2000
如果你注意到它们的粘性末端,这些小的DNA片段
10:44
you can see that they actually其实 form形成 a checkerboard棋盘 pattern模式.
262
632000
3000
你能看到它们能形成一个格子图案
10:47
So, these tiles瓷砖 would make a complicated复杂, self-assembling自组装 checkerboard棋盘.
263
635000
3000
所以这些小的模块将会自动组装成一个复杂的格子图案
10:50
And the point of this, if you didn't catch抓住 that,
264
638000
2000
关键是你可能没有注意到
10:52
is that tiles瓷砖 are a kind of molecular分子 program程序
265
640000
3000
这些小模块其实类似于分子程序
10:55
and they can output产量 patterns模式.
266
643000
3000
而且他们能呈现出某种样式
10:58
And a really amazing惊人 part部分 of this is
267
646000
2000
最神奇的地方是
11:00
that any computer电脑 program程序 can be translated翻译
268
648000
2000
任何电脑程序都能被
11:02
into one of these tile programs程式 -- specifically特别, counting数数.
269
650000
3000
转录成这样一些模块程序,更确切地说,计数.
11:05
So, you can come up with a set of tiles瓷砖
270
653000
3000
你可以准备好一些模块
11:08
that when they come together一起, form形成 a little binary二进制 counter计数器
271
656000
3000
当这些模块被放在一起的时候, 能形成一个二进制的计数器
11:11
rather than a checkerboard棋盘.
272
659000
2000
而不只是一个格子图案
11:13
So you can read off binary二进制 numbers数字 five, six and seven.
273
661000
3000
你能直接读出二进制的五,六和七
11:16
And in order订购 to get these kinds of computations计算 started开始 right,
274
664000
3000
为了能让这类的计算正确开始
11:19
you need some kind of input输入, a kind of seed种子.
275
667000
2000
你需要输入一些东西,类似于一个种子
11:21
You can use DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 for that.
276
669000
2000
你可以用DNA"折纸"来当种子
11:23
You can encode编码 the number 32
277
671000
2000
你可以把32编码到
11:25
in the right-hand右手 side of a DNA脱氧核糖核酸 origami折纸,
278
673000
2000
DNA"折纸"的右手边
11:27
and when you add those tiles瓷砖 that count计数,
279
675000
2000
然后当你加入那些能计数的模块后
11:29
they will start开始 to count计数 -- they will read that 32
280
677000
3000
它们将开始计数,当它们读到32时
11:32
and they'll他们会 stop at 32.
281
680000
2000
他们就能停下来
11:34
So, what we've我们已经 doneDONE is we've我们已经 figured想通 out a way
282
682000
3000
所以,我们所做的就是找到了一种方法
11:37
to have a molecular分子 program程序 know when to stop going.
283
685000
3000
能让一个分子程序知道什么时候停止生长
11:40
It knows知道 when to stop growing生长 because it can count计数.
284
688000
2000
它知道什么时候停下来,因为它能计算
11:42
It knows知道 how big it is.
285
690000
2000
它知道已经长了有多大
11:44
So, that answers答案 that sort分类 of first question I was talking about.
286
692000
3000
所以,这就能回答我提出的第一个问题
11:47
It doesn't tell us how babies婴儿 do it, however然而.
287
695000
3000
但它还是不能告诉我们婴儿是如何做到这一点的.
11:50
So now, we can use this counting数数 to try and get at much bigger things
288
698000
4000
现在,我们能用这种计数方法来试着做出
11:54
than DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 could otherwise除此以外.
289
702000
1000
比DNA"折纸"能做到的更大的东西来
11:55
Here's这里的 the DNA脱氧核糖核酸 origami折纸, and what we can do
290
703000
3000
这是一个DNA"折纸",我们能做的是
11:58
is we can write 32 on both edges边缘 of the DNA脱氧核糖核酸 origami折纸,
291
706000
3000
在DNA"折纸"的两条边都写上32
12:01
and we can now use our watering洒水 can
292
709000
2000
我们现在能用"洒水壶"来给
12:03
and water with tiles瓷砖, and we can start开始 growing生长 tiles瓷砖 off of that
293
711000
4000
这些模块"浇水",从这些模块再长出新的模块
12:07
and create创建 a square广场.
294
715000
2000
来组成一个正方形
12:09
The counter计数器 serves供应 as a template模板
295
717000
3000
计数器就好像是个一模板
12:12
to fill in a square广场 in the middle中间 of this thing.
296
720000
2000
填充在正方形的中央
12:14
So, what we've我们已经 doneDONE is we've我们已经 succeeded成功
297
722000
1000
这样,我们就能成功地
12:15
in making制造 something much bigger than a DNA脱氧核糖核酸 origami折纸
298
723000
3000
利用DNA"折纸"和模块的组合
12:18
by combining结合 DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 with tiles瓷砖.
299
726000
3000
来合成比DNA"折纸"更大许多的东西
12:21
And the neat整齐 thing about it is, is that it's also reprogrammable可再编程.
300
729000
3000
巧妙的是,它能够重复编写
12:24
You can just change更改 a couple一对 of the DNA脱氧核糖核酸 strands in this binary二进制 representation表示
301
732000
4000
通过改变二进制代表里的几股DNA
12:28
and you'll你会 get 96 rather than 32.
302
736000
3000
你就能得到一个96而不是32
12:31
And if you do that, the origami's折纸的 the same相同 size尺寸,
303
739000
3000
在这前提下,如果你保持DNA"折纸"的大小不变
12:34
but the resulting造成 square广场 that you get is three times bigger.
304
742000
4000
你就能得到一个比原来大三倍的正方形
12:39
So, this sort分类 of recapitulates概括
305
747000
1000
简单来概括一下
12:40
what I was telling告诉 you about development发展.
306
748000
2000
我所讲的生长
12:42
You have a very sensitive敏感 computer电脑 program程序
307
750000
3000
你有一个很敏感的电脑程序
12:45
where small changes变化 -- single, tiny, little mutations突变 --
308
753000
3000
其中很小的变化, 单个的,很微小的变异
12:48
can take something that made制作 one size尺寸 square广场
309
756000
2000
能把一个本来能生产出一个某个尺寸的正方形
12:50
and make something very much bigger.
310
758000
3000
变成生产出一些特别大的东西来
12:54
Now, this -- using运用 counting数数 to compute计算
311
762000
3000
这种利用计数来计算
12:57
and build建立 these kinds of things
312
765000
2000
并利用这种发展过程来
12:59
by this kind of developmental发展的 process处理
313
767000
2000
构建这种东西的过程
13:01
is something that also has bearing轴承 on Craig克雷格 Venter'sVenter的 question.
314
769000
4000
也是Craig Venter关心的问题
13:05
So, you can ask, how many许多 DNA脱氧核糖核酸 strands are required需要
315
773000
2000
所以,如果你问,到底需要多少股DNA
13:07
to build建立 a square广场 of a given特定 size尺寸?
316
775000
2000
来建造一个特定大小的正方形?
13:09
If we wanted to make a square广场 of size尺寸 10, 100 or 1,000,
317
777000
5000
如果我们想建一个10或者100或者1000那么大的正方形
13:14
if we used DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 alone单独,
318
782000
2000
如果我们只用DNA"折纸"
13:16
we would require要求 a number of DNA脱氧核糖核酸 strands that's the square广场
319
784000
3000
我们得需要一个有正方形边长
13:19
of the size尺寸 of that square广场;
320
787000
2000
平方那么多股的DNA"折纸"
13:21
so we'd星期三 need 100, 10,000 or a million百万 DNA脱氧核糖核酸 strands.
321
789000
2000
我们就得需要100或者10000甚至1百万股DNA
13:23
That's really not affordable实惠.
322
791000
2000
这个数字实在是太大了
13:25
But if we use a little computation计算 --
323
793000
2000
但如果我们用一点计算的方法
13:27
we use origami折纸, plus some tiles瓷砖 that count计数 --
324
795000
4000
我们用DNA"折纸", 外加一些能计数的模块
13:31
then we can get away with using运用 100, 200 or 300 DNA脱氧核糖核酸 strands.
325
799000
3000
那我们只需要100或者200或者300股DNA
13:34
And so we can exponentially成倍 reduce减少 the number of DNA脱氧核糖核酸 strands we use,
326
802000
5000
这样我们就能指数级的减少需要用的DNA
13:39
if we use counting数数, if we use a little bit of computation计算.
327
807000
3000
如果我们用一点计算的方法的话.
13:42
And so computation计算 is some very powerful强大 way
328
810000
3000
计算是一种很有效的方法
13:45
to reduce减少 the number of molecules分子 you need to build建立 something,
329
813000
3000
能用来减少为了建造这些东西而需要的分子数量
13:48
to reduce减少 the size尺寸 of the genome基因组 that you're building建造.
330
816000
3000
也可以减少你建造的基因组的大小
13:51
And finally最后, I'm going to get back to that sort分类 of crazy idea理念
331
819000
3000
最后,我还是回到那个
13:54
about computers电脑 building建造 computers电脑.
332
822000
2000
有关计算机再建造计算机的疯狂想法
13:56
If you look at the square广场 that you build建立 with the origami折纸
333
824000
3000
看着这个用DNA"折纸"建造的正方形
13:59
and some counters计数器 growing生长 off it,
334
827000
2000
和从它长出来的计数器
14:01
the pattern模式 that it has is exactly究竟 the pattern模式 that you need
335
829000
3000
它的样式就和你要建一个内存所需要的样式
14:04
to make a memory记忆.
336
832000
1000
是一模一样的
14:05
So if you affix词缀 some wires电线 and switches开关 to those tiles瓷砖 --
337
833000
3000
所以如果你在模块上附上一些电线和开关
14:08
rather than to the staple钉书针 strands, you affix词缀 them to the tiles瓷砖 --
338
836000
3000
或者说把它们附在模块上,而不是DNA短链上
14:11
then they'll他们会 self-assemble自组装 the somewhat有些 complicated复杂 circuits电路,
339
839000
3000
之后他们就能自己组装成有一点复杂的电路
14:14
the demultiplexer解复用器 circuits电路, that you need to address地址 this memory记忆.
340
842000
3000
那种你在内存里会需要的解复用器
14:17
So you can actually其实 make a complicated复杂 circuit电路
341
845000
2000
所以你能用一点计算来建一个
14:19
using运用 a little bit of computation计算.
342
847000
2000
复杂的电路.
14:21
It's a molecular分子 computer电脑 building建造 an electronic电子 computer电脑.
343
849000
3000
这是一个分子计算机建电子计算机的过程
14:24
Now, you ask me, how far have we gotten得到 down this path路径?
344
852000
3000
你也许会问,在这条路上我们已经走了多远?
14:27
Experimentally实验, this is what we've我们已经 doneDONE in the last year.
345
855000
3000
从实验角度来说,这是我们去年完成的.
14:30
Here is a DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 rectangle长方形,
346
858000
2000
这里有一个DNA"折纸"的长方形
14:33
and here are some tiles瓷砖 growing生长 from it.
347
861000
2000
和一些从它长出来的模块.
14:35
And you can see how they count计数.
348
863000
2000
你能看出来它们是怎么计数的.
14:37
One, two, three, four, five, six, nine, 10, 11, 12, 17.
349
865000
12000
一,二,三,四,五,六,九,十,十一,十二,十七
14:49
So it's got some errors错误, but at least最小 it counts计数 up.
350
877000
4000
它有错误,但至少能越数越大
14:53
(Laughter笑声)
351
881000
1000
(笑声)
14:54
So, it turns out we actually其实 had this idea理念 nine years年份 ago,
352
882000
3000
实际上,我们九年前就开始有了这一想法
14:57
and that's about the time constant不变 for how long it takes
353
885000
3000
这大约就是做这件事必须得投入的时间
15:00
to do these kinds of things, so I think we made制作 a lot of progress进展.
354
888000
2000
我觉得我们有很大进步.
15:02
We've我们已经 got ideas思路 about how to fix固定 these errors错误.
355
890000
2000
我们现在也有想法去校正这些错误.
15:04
And I think in the next下一个 five or 10 years年份,
356
892000
2000
我认为在未来的五或十年里
15:06
we'll make the kind of squares广场 that I described描述
357
894000
2000
我们将能做出我刚才形容的那种正方形
15:08
and maybe even get to some of those self-assembled自组装 circuits电路.
358
896000
3000
或者还能做一些那种自我组装的电路.
15:11
So now, what do I want you to take away from this talk?
359
899000
4000
我希望你们今天能从我的讲解里学到什么呢?
15:15
I want you to remember记得 that
360
903000
2000
我希望你们能记住
15:17
to create创建 life's人生 very diverse多种 and complex复杂 forms形式,
361
905000
4000
为了创造出生物体非常多样和复杂的形式
15:21
life uses使用 computation计算 to do that.
362
909000
2000
生物要用计算来实现这一目标.
15:23
And the computations计算 that it uses使用, they're molecular分子 computations计算,
363
911000
4000
而且它所用的计算是分子计算形式,
15:27
and in order订购 to understand理解 this and get a better handle处理 on it,
364
915000
2000
为了能理解并更好的利用这一点
15:29
as Feynman费曼 said, you know,
365
917000
2000
就像费曼说的,
15:31
we need to build建立 something to understand理解 it.
366
919000
2000
为了理解某样东西,我们得建造一个出来
15:33
And so we are going to use molecules分子 and refashion重塑 this thing,
367
921000
4000
我们将用分子,重新设计这些东西
15:37
rebuild重建 everything from the bottom底部 up,
368
925000
2000
并从头开始从新建造每一样东西
15:39
using运用 DNA脱氧核糖核酸 in ways方法 that nature性质 never intended,
369
927000
3000
用一种自然从未用过的方式
15:42
using运用 DNA脱氧核糖核酸 origami折纸,
370
930000
2000
用DNA"折纸"
15:44
and DNA脱氧核糖核酸 origami折纸 to seed种子 this algorithmic算法 self-assembly自组装.
371
932000
3000
和DNA"折纸"引导的算法的自我组装.
15:47
You know, so this is all very cool,
372
935000
2000
你知道的,所有这些都很棒
15:50
but what I'd like you to take from the talk,
373
938000
1000
但我希望你们能从这个演讲
15:51
hopefully希望 from some of those big questions问题,
374
939000
2000
提及的问题当中有所收获
15:53
is that this molecular分子 programming程序设计 isn't just about making制造 gadgets小工具.
375
941000
3000
这类的分子程序不仅仅是建一些小工具
15:56
It's not just making制造 about --
376
944000
2000
它不仅仅是能造.....
15:58
it's making制造 self-assembled自组装 cell细胞 phones手机 and circuits电路.
377
946000
2000
能用来建自我组装的手机和电路
16:00
What it's really about is taking服用 computer电脑 science科学
378
948000
2000
真正关键的是,利用计算科学
16:02
and looking at big questions问题 in a new light,
379
950000
3000
并且用一种新的眼光看待大问题
16:05
asking new versions版本 of those big questions问题
380
953000
2000
从新的角度来问这些问题
16:07
and trying to understand理解 how biology生物学
381
955000
2000
并且试图理解生物
16:09
can make such这样 amazing惊人 things. Thank you.
382
957000
2000
是如何创造这些另人惊奇的事物的. 谢谢.
16:12
(Applause掌声)
383
960000
7000
(掌声)
Translated by Juyao Dong
Reviewed by Yi Wang

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ABOUT THE SPEAKER
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.

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.

More profile about the speaker
Paul Rothemund | Speaker | TED.com

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