Animations of unseeable biology

Quello che vi mostrerò

sono le incredibili macchine molecolari

che creano il tessuto vivente del vostro corpo.

Le molecole sono molto, molto piccole.

E per piccole,

intendo davvero piccole.

Sono più piccole della lunghezza d'onda della luce,

quindi non c'è modo di osservarle direttamente.

Ma attraverso la scienza abbiamo un'idea abbastanza buona

di quello che accade su scala molecolare.

Quindi quello che possiamo fare è parlarvi delle molecole,

ma in realtà non abbiamo un modo diretto di mostrarvele.

Un modo per risolvere il problema è quello di disegnare immagini.

Questa idea, in effetti, non è nuova.

Gli scienziati hanno sempre creato immagini

come parte del loro pensiero e processo di scoperta.

Disegnano ciò che vedono con i propri occhi

usando tecnologie come telescopi e microscopi,

e anche quello che passa per le loro menti.

Ho scelto due esempi famosi,

perché sono noti per esprimere la scienza attraverso l'arte.

E comincio con Galileo

che usò il primo telescopio al mondo

per osservare la Luna.

Fu lui a trasformare la nostra comprensione della Luna.

La percezione nel 17° secolo

era che si trattava di una sfera celeste perfetta.

Ma ciò che Galileo vide fu un mondo roccioso e arido

che espresse attraverso la sua pittura ad acquerello.

Un altro scienziato con idee molto grandi,

la superstar della biologia, è Charles Darwin.

E con questa voce famosa nel suo taccuino,

inizia in alto a sinistra con: "Io penso",

e poi traccia il primo albero della vita,

che è la sua percezione

di come tutte le specie, tutti gli esseri viventi sulla Terra,

siano collegati attraverso la storia evolutiva -

l'origine delle specie attraverso la selezione naturale

e le differenze con una popolazione ancestrale.

Pur essendo uno scienziato,

andavo a conferenze di biologi molecolari

e le trovavo totalmente incomprensibili,

con tutto il linguaggio tecnico sofisticato e il gergo

che usavano per descrivere il loro lavoro,

finché non ho trovato le opere d'arte di David Goodsell,

un biologo molecolare dell'Istituto Scripps.

Nei suoi quadri

tutto è esatto e in scala.

La sua opera mi ha chiarito

com'è il mondo molecolare dentro di noi.

Questa è una sezione trasversale del sangue.

In alto a sinistra avete questa zona giallo-verde.

Sono i fluidi del sangue, che sono prevalentemente acqua,

ma anche anticorpi, zuccheri,

ormoni, questo genere di cose.

La regione rossa è una sezione di un globulo rosso.

E quelle molecole rosse sono l'emoglobina.

Sono davvero rosse, e danno il colore al sangue.

L'emoglobina agisce come una spugna molecolare

per assorbire l'ossigeno nei polmoni

e poi portarlo in altre parti del corpo.

Diversi anni fa questa immagine mi ha ispirato moltissimo,

e mi chiesi se avremmo potuto usare la computer grafica

per rappresentare il mondo molecolare.

Come sarebbe stato?

Quello è stato l'inizio. Allora cominciamo.

Questo è il DNA nella sua forma classica a doppia elica.

Proviene dalla cristallografia a raggi X,

quindi è un modello accurato di DNA.

Se srotoliamo la doppia elica ed estendiamo i due filamenti

vedrete queste cose che somigliano a denti.

Sono le lettere del codice genetico,

i 25.000 geni che sono scritti nel vostro DNA.

È questo che si intende di solito

quando si parla di codice genetico.

Ma io voglio parlare di un altro aspetto della scienza del DNA,

cioè della natura fisica del DNA.

Questi due filamenti si muovono in direzioni opposte

per motivi che non spiegherò adesso.

Ma fisicamente vanno in direzioni opposte,

creando una serie di complicazioni per le vostre cellule viventi,

come vedrete,

e in particolare quando il DNA viene copiato.

Quello che vi mostrerò

è una rappresentazione accurata

della macchina replicatrice di DNA che è in funzione proprio ora nel vostro corpo,

almeno per la biologia del 2002.

Dunque il DNA entra nella linea di produzione dal lato sinistro,

raggiungendo questo gruppo, queste macchine biochimiche in miniatura

che separano il filamento di DNA facendone una copia esatta.

Quindi il DNA entra

e colpisce questa struttura blu a forma di ciambella

e i suoi due filamenti si separano.

Un filamento può essere copiato direttamente,

e potete vedere queste cose arrotolarsi lì in fondo.

Ma non è altrettanto semplice per l'altro filamento

perché deve essere copiato in senso inverso.

Quindi viene espulso ripetutamente in queste anse

e copiato una sezione alla volta,

creando due nuove molecole di DNA.

Ora ci sono miliardi di macchine come questa

che stanno lavorando dentro di voi,

facendo copie estremamente fedeli di DNA.

È una rappresentazione accurata

di ciò che sta avvenendo dentro di voi, più o meno a velocità reale.

Ho escluso la correzione di errore e altre cosette.

Si tratta di un lavoro di qualche anno fa.

Grazie.

Questo è un lavoro di alcuni anni fa,

ma quello che vi mostrerò ora è scienza moderna, tecnologia d'avanguardia.

Cominciamo di nuovo con il DNA.

Si agita tutto perché è circondato da una zuppa di molecole

che ho rimosso in modo da renderlo più visibile.

Il DNA ha una sezione di circa due nanometri,

che è davvero molto poco.

Ma in ognuna delle vostre cellule,

ogni filamento di DNA è lungo circa 30-40 milioni di nanometri.

Quindi, per mantenere il DNA in ordine e regolare l'accesso al codice genetico,

viene avvolto attorno a queste proteine viola -

come le chiamo io.

È impacchettato e imballato.

Tutto quello che vedete è un singolo filamento di DNA.

Questo bel pacchetto di DNA si chiama cromosoma.

Torneremo ai cromosomi tra un minuto.

Ci allontaniamo, usciamo di qui

attraverso un poro nucleare,

che è l'accesso a questo comparto che contiene tutto il DNA,

detto nucleo.

Tutto quello che vediamo

è l'equivalente di un semestre di biologia, ma io ho a disposizione 7 minuti.

E allora non riusciremo ad approfondirlo adesso?

No, ho sentito un "No".

Ecco come appare una cellula vivente al microscopio.

È stata filmata in time-lapse, motivo per cui la vedete muoversi.

La membrana nucleare si rompe.

Queste cose a forma di salsiccia sono i cromosomi, e ci concentreremo su di loro.

Si muovono in questo modo sorprendente

attorno a quelle macchioline rosse.

Quando la cellula si sente pronta,

i cromosomi si separano.

Una parte di DNA va da un lato,

l'altra parte di DNA va dall'altro -

copie identiche di DNA.

E poi la cellula si divide a metà.

Di nuovo, ci sono miliardi di cellule

che stanno facendo la stessa cosa nel vostro corpo.

Ora un passo indietro per parlare dei cromosomi

e vederne e descriverne la struttura.

Eccoci di nuovo al momento della divisione.

I cromosomi si allineano.

Ora isoleremo un singolo cromosoma,

in modo da dare un'occhiata alla sua struttura.

È una delle più grandi strutture molecolari del corpo umano,

almeno per quello che siamo riusciti a scoprire finora.

Dunque questo è un singolo cromosoma.

Ci sono due filamenti di DNA in ogni cromosoma.

Uno è avvolto a forma di salsicciotto.

L'altro filamento forma l'altro salsicciotto.

Questa specie di peluria che spunta da entrambi i lati

è l'impalcatura dinamica della cellula.

È fatta di innumerevoli microtubuli. Il nome non è importante.

Ma noi ci concentreremo su questa zona rossa - che ho evidenziato in rosso -

che è l'interfaccia

tra l'impalcatura dinamica e i cromosomi.

Ovviamente è fondamentale per il movimento dei cromosomi.

Non abbiamo proprio idea di come produca questo movimento.

È stata studiata intensamente questa cosa

chiamata cinetocore per oltre cent'anni

e stiamo iniziando solo ora a capire di cosa si tratta.

È composta da circa 200 tipi diversi di proteine,

migliaia di proteine in totale.

È un sistema di trasmissione del segnale.

Trasmette mediante segnali chimici

che allertano il resto della cellula quando è pronta,

quando sente che tutto è in ordine e pronto

per la separazione dei cromosomi.

Può legarsi ai microtubuli che si allargano e si riducono.

È coinvolto nella crescita dei microtubuli,

ed è capace di unirsi a loro provvisoriamente.

È anche un sistema di rilevamento dell'attenzione

in grado di percepire quando è pronta la cellula,

quando il cromosoma è posizionato correttamente.

Qui diventa verde

perché percepisce che tutto è a posto.

E vedete che c'è un ultimo pezzettino

che rimane ancora rosso.

E viene inviato lungo i microtubuli.

Questo è il sistema di trasmissione del segnale che invia il segnale di stop.

E viene spedito. Voglio dire, è una trasmissione meccanica.

È un meccanismo molecolare.

Ecco come funziona su scala molecolare.

Quindi, usando un po' di abbellimento molecolare,

ecco le chinesine, quelle arancioni.

Sono piccole molecole da trasporto che vanno in una direzione.

Ed ecco le dineine che portano il sistema di trasmissione.

Hanno lunghe zampe che gli permettono di superare gli ostacoli e così via.

Di nuovo, tutto questo è accuratamente derivato

dalla scienza.

Il problema è che non possiamo mostrarvelo in altri modi.

Esplorare il confine della scienza,

la frontiera della conoscenza umana,

è incredibile.

Scoprire queste cose

è sicuramente un incentivo piacevole per fare scienza.

Per la maggior parte dei ricercatori medici però,

fare delle scoperte

è solo uno dei passi nel cammino verso i grandi obiettivi,

che sono sradicare la malattia,

eliminare la sofferenza e la miseria che la malattia causa

e uscire dalla povertà.

Grazie.

(Applausi)