De volgende softwarerevolutie: cellen programmeren
-
0:01 - 0:05De tweede helft van de vorige eeuw
werd volledig gekenmerkt -
0:05 - 0:07door een technologische revolutie:
-
0:07 - 0:09de softwarerevolutie.
-
0:09 - 0:14De mogelijkheid om elektronen
in silicium te programmeren -
0:14 - 0:17liet technologieën,
bedrijven en industrieën ontstaan -
0:17 - 0:21die toen voor velen van ons
nog onvoorstelbaar waren, -
0:21 - 0:25maar die nu de aard van de wereld
fundamenteel hebben veranderd. -
0:26 - 0:28Maar de eerste helft van deze eeuw
-
0:28 - 0:32zal worden getransformeerd
door een nieuwe softwarerevolutie: -
0:32 - 0:35de revolutie van levende software.
-
0:35 - 0:39Die zal in staat zijn
om biochemie te programmeren -
0:39 - 0:41op een materiaal dat we biologie heten.
-
0:41 - 0:45Daardoor zullen we gebruik kunnen maken
van de eigenschappen van de biologie -
0:45 - 0:48om nieuwe soorten therapieën te ontwerpen,
-
0:48 - 0:50om beschadigd weefsel te herstellen,
-
0:50 - 0:53defecte cellen te herprogrammeren
-
0:53 - 0:57of zelfs biochemisch programmeerbare
besturingssystemen te bouwen. -
0:58 - 1:02Als we dit kunnen realiseren --
en we moeten dit realiseren -- -
1:02 - 1:04zal de impact ervan zo enorm zijn
-
1:04 - 1:08dat de eerste softwarerevolutie
erbij zal verbleken. -
1:08 - 1:12Levende software zou de geneeskunde
namelijk helemaal veranderen, -
1:12 - 1:14en ook de landbouw en energiesector,
-
1:14 - 1:18en deze sectoren overvleugelen veruit
de sectoren gedomineerd door de IT. -
1:19 - 1:23Stel je programmeerbare planten voor
die stikstof efficiënter fixeren -
1:23 - 1:26of nieuwe fungale pathogenen weerstaan,
-
1:26 - 1:29of zelfs eenjarige gewassen
tot doorlevende herprogrammeren -
1:29 - 1:32zodat je je jaarlijkse oogst
zou kunnen verdubbelen. -
1:32 - 1:34Dat zou de landbouw hervormen
-
1:34 - 1:38en onze groeiende wereldbevolking
van voedsel voorzien. -
1:39 - 1:41Of stel je programmeerbare immuniteit voor
-
1:41 - 1:44door het ontwerpen en inschakelen
van moleculaire apparaten -
1:44 - 1:45die je immuunsysteem leren
-
1:45 - 1:49om ziektes op te sporen, uit te roeien
of zelfs te voorkomen. -
1:49 - 1:51Dit zou de geneeskunde hervormen
-
1:51 - 1:54en onze toenemende en vergrijzende
bevolking gezond houden. -
1:56 - 1:59We hebben al veel methodes
om levende software te realiseren. -
1:59 - 2:02We kunnen met CRISPR
genen precies bewerken. -
2:02 - 2:05We kunnen de genetische code
base per base herschrijven. -
2:05 - 2:10We kunnen zelfs functionerende
synthetische circuits bouwen uit DNA. -
2:10 - 2:13Maar uitzoeken hoe en wanneer
deze tools te hanteren -
2:13 - 2:15is nog maar in het stadium
van gissen en missen. -
2:15 - 2:19Er is diepgaande expertise
en jaren van specialisatie nodig. -
2:19 - 2:22Experimentele protocollen
zijn moeilijk te ontdekken -
2:22 - 2:25en maar al te vaak
moeilijk te reproduceren. -
2:25 - 2:29In de biologie focussen we
ons vaak op de details, -
2:29 - 2:33maar we weten toch dat iets als vliegen
niet begrepen kan worden -
2:33 - 2:34door alleen maar veren te bestuderen.
-
2:35 - 2:38Het programmeren van biologie
gaat nog niet zo eenvoudig -
2:38 - 2:39als het programmeren van je computer.
-
2:39 - 2:41Tot overmaat van ramp
-
2:41 - 2:45lijken levende systemen grotendeels
niet op de ontwikkelde systemen -
2:45 - 2:47die jullie en ik elke dag programmeren.
-
2:48 - 2:52In tegenstelling tot technische systemen
doen levende systemen aan zelfgeneratie, -
2:52 - 2:53zelforganisatie
-
2:53 - 2:55en werken ze op moleculaire schaal.
-
2:55 - 2:57Interacties op moleculair niveau
-
2:57 - 3:00leiden over het algemeen
tot een robuuste output op macroschaal. -
3:00 - 3:03Ze kunnen zelfs zelfreparatie aan.
-
3:04 - 3:07Denk maar aan de nederige kamerplant
-
3:07 - 3:09die thuis op je schoorsteenmantel staat
-
3:09 - 3:11en die je vergat water te geven.
-
3:12 - 3:15Ondanks je verwaarlozing moet
die plant elke dag wakker worden -
3:15 - 3:18en uitzoeken hoe ze
haar middelen zal benutten. -
3:18 - 3:22Zal ze groeien, aan fotosynthese doen,
zaden produceren of bloeien? -
3:22 - 3:26Dat is een beslissing
op het niveau van het hele organisme. -
3:26 - 3:29Maar een plant heeft geen hersens
om dat allemaal uit te zoeken. -
3:29 - 3:32Ze moet het doen
met de cellen op haar bladeren. -
3:32 - 3:34Die moeten reageren op de omgeving
-
3:34 - 3:37en beslissingen nemen
die de hele plant beïnvloeden. -
3:37 - 3:41Dus moet er in die cellen
een of ander programma lopen, -
3:41 - 3:43een programma dat reageert
op ingangssignalen -
3:43 - 3:45en bepaalt wat die cel zal doen.
-
3:46 - 3:49Dan moet dat programma
op een gedistribueerde manier werken -
3:49 - 3:50in individuele cellen,
-
3:50 - 3:54zodat ze kunnen coördineren
en de plant kan groeien en bloeien. -
3:56 - 3:59Als we deze biologische programma's
konden begrijpen, -
3:59 - 4:02als we biologisch computeren begrepen,
-
4:02 - 4:05konden we snappen
-
4:05 - 4:08hoe en waarom cellen doen wat ze doen.
-
4:08 - 4:10Want als we deze programma's begrepen,
-
4:10 - 4:12konden we ze debuggen als er iets misgaat.
-
4:12 - 4:17Of konden we van hen leren
hoe synthetische circuits te ontwerpen -
4:17 - 4:21die de rekenkracht
van de biochemie echt zouden benutten. -
4:22 - 4:25Mijn passie over dit idee leidde me
naar een carrière in het onderzoek -
4:25 - 4:29op het raakpunt van wiskunde,
informatica en biologie. -
4:29 - 4:34In mijn werk richt ik me op het concept
van biologie als computerwerk. -
4:34 - 4:37Dat betekent uitzoeken
wat cellen berekenen -
4:38 - 4:41en hoe deze bio-programma's te vinden.
-
4:42 - 4:45Samen met enkele schitterende medewerkers
begon ik me dat af te vragen -
4:45 - 4:48bij Microsoft Research
en de Universiteit van Cambridge -
4:48 - 4:50waar we samen wilden begrijpen
-
4:50 - 4:55hoe biologische programma’s
verlopen in een uniek type cel: -
4:55 - 4:57een embryonale stamcel.
-
4:57 - 5:00Deze cellen zijn uniek
omdat ze helemaal naïef zijn. -
5:00 - 5:02Ze kunnen alles worden wat ze willen:
-
5:03 - 5:05een hersencel, een hartcel,
een botcel, een longcel, -
5:05 - 5:07elk type volwassen cel.
-
5:07 - 5:09Deze naïviteit maakt ze speciaal,
-
5:09 - 5:12maar dat ontstak ook
de verbeelding van de wetenschappers, -
5:12 - 5:15die beseften dat als we
dat potentieel konden aanboren, -
5:15 - 5:17we een krachtige
medische tool zouden hebben. -
5:18 - 5:21Als we kunnen achterhalen
hoe deze cellen beslissen -
5:21 - 5:23om een of ander type cel te zijn,
-
5:23 - 5:24kunnen we dat misschien benutten
-
5:24 - 5:29om cellen te genereren die ziek
of beschadigd weefsel herstellen. -
5:30 - 5:33Maar die visie realiseren
loopt niet van een leien dakje, -
5:33 - 5:36vooral omdat deze specifieke cellen
-
5:36 - 5:38tot slechts zes dagen
na de bevruchting ontstaan. -
5:39 - 5:41Na een paar dagen zijn ze weer weg.
-
5:41 - 5:43Ze volgen dan de verschillende paden
-
5:43 - 5:46die alle structuren en organen
van je volwassen lichaam gaan uitmaken. -
5:48 - 5:50Maar nu blijkt het lot van cellen
-
5:50 - 5:52veel plastischer te zijn
dan we eerder dachten. -
5:52 - 5:57Ongeveer dertien jaar geleden vonden
enkele wetenschappers iets revolutionairs. -
5:57 - 6:02Door het inbrengen van enkele genen
in een volwassen cel, -
6:02 - 6:04zoals een huidcel,
-
6:04 - 6:08kan je die cel terug
naar de naïeve staat omvormen. -
6:08 - 6:11Het is een proces dat bekend staat
als ‘herprogrammering’ -
6:11 - 6:14en laat ons dromen van een stamcel-utopie,
-
6:14 - 6:18waar je een staal van de eigen cellen
van een patiënt kan nemen, -
6:18 - 6:20ze terug naar de naïeve staat
kan transformeren -
6:20 - 6:23en ze gebruiken om de cellen te maken
die de patiënt nodig heeft, -
6:23 - 6:25ongeacht het nu hersen-
of hartcellen zijn. -
6:27 - 6:28Maar in de afgelopen tien jaar
-
6:28 - 6:31bleef uitzoeken hoe het lot
van de cel te veranderen -
6:31 - 6:34toch nog steeds een proces
van gissen en missen. -
6:34 - 6:38Zelfs in gevallen waarin we succesvolle
experimentele protocollen hebben ontdekt, -
6:38 - 6:40zijn ze nog steeds inefficiënt
-
6:40 - 6:44en weten we niet
hoe en waarom ze werken. -
6:45 - 6:48Als je vindt hoe je een stamcel
in een hartcel kan veranderen, -
6:48 - 6:51vertelt je dat nog niets
over hoe je een stamcel kan veranderen -
6:51 - 6:52in een hersencel.
-
6:53 - 6:56Dus wilden we begrijpen
hoe het biologische programma -
6:56 - 6:58in een embryonale stamcel verloopt.
-
6:58 - 7:02Om de berekening te begrijpen
die verloopt in een levend systeem -
7:02 - 7:06moet je beginnen
met een uiterst simpele vraag: -
7:06 - 7:09wat moet dat systeem eigenlijk doen?
-
7:10 - 7:13Nu heeft de informatica
eigenlijk een set strategieën -
7:13 - 7:17om om te gaan met wat de software
en de hardware moeten doen. -
7:17 - 7:19Wanneer je een programma
of een stukje software schrijft, -
7:19 - 7:21wil je dat die software goed werkt.
-
7:21 - 7:23Je wil prestaties, functionaliteit.
-
7:23 - 7:24Je wil bugs voorkomen.
-
7:24 - 7:26Die kunnen je duur komen te staan.
-
7:26 - 7:28Wanneer iemand
een programma schrijft, -
7:28 - 7:30kan hij een bestek maken.
-
7:30 - 7:32Dat bepaalt wat
je programma hoort te doen. -
7:32 - 7:35Misschien de grootte
van twee getallen vergelijken -
7:35 - 7:36of ze ordenen naar grootte.
-
7:37 - 7:42Technologie bestaat
om automatisch na te gaan -
7:42 - 7:44of aan onze specificaties is voldaan,
-
7:44 - 7:47of dat programma
doet wat het moet doen. -
7:47 - 7:50Ons idee bestond erin
om op dezelfde manier na te gaan -
7:50 - 7:53of experimentele waarnemingen,
dingen die we meten in het lab, -
7:53 - 7:56beantwoorden aan specificaties
-
7:56 - 7:59van wat het biologische
programma moet doen. -
7:59 - 8:01We hoefden maar een manier te vinden
-
8:01 - 8:04om deze nieuwe vorm
van specificatie te coderen. -
8:05 - 8:08Stel dat je in het lab
uitzocht wat je genen doen -
8:08 - 8:11en je ontdekte dat als gen A actief is,
-
8:11 - 8:14gen B of gen C ook actief lijken te zijn.
-
8:15 - 8:18We kunnen die observatie opschrijven
als een wiskundige uitdrukking. -
8:18 - 8:21In de taal van de logica:
-
8:21 - 8:23als A, dan B of C.
-
8:24 - 8:27Nu is dit wel een heel
eenvoudig voorbeeld, oké. -
8:27 - 8:28Alleen om het punt te illustreren.
-
8:28 - 8:31Maar we kunnen
echt rijke uitdrukkingen coderen -
8:31 - 8:36die het gedrag van meerdere genen
of eiwitten in de tijd vastleggen -
8:36 - 8:38over meerdere verschillende experimenten.
-
8:39 - 8:41Door onze observaties
-
8:41 - 8:43zo in wiskundige vorm te gieten,
-
8:43 - 8:47wordt het mogelijk om te testen
of deze waarnemingen -
8:47 - 8:48al dan niet kunnen ontstaan
-
8:48 - 8:52uit een programma
van genetische interacties. -
8:52 - 8:55We ontwikkelden een tool
om net dat te doen. -
8:55 - 8:58We konden deze tool gebruiken
om waarnemingen te coderen -
8:58 - 8:59als wiskundige uitdrukkingen
-
8:59 - 9:03en daardoor het genetische
programma ontdekken -
9:03 - 9:04dat ze allemaal zou kunnen verklaren.
-
9:05 - 9:08En dan passen we deze aanpak toe
-
9:08 - 9:10om het genetische programma
-
9:10 - 9:12in embryonale stamcellen
zichtbaar te maken -
9:12 - 9:16om te zien of we kunnen begrijpen
hoe die naïeve toestand te krijgen. -
9:16 - 9:18Deze tool was eigenlijk gebouwd
-
9:18 - 9:21op een solver die routinematig
wereldwijd wordt ingezet -
9:21 - 9:23voor conventionele softwareverificatie.
-
9:24 - 9:27Dus begonnen we met een set
van bijna 50 verschillende specificaties -
9:27 - 9:32gegenereerd uit experimentele
waarnemingen van embryonale stamcellen. -
9:32 - 9:35Door het coderen van die
waarnemingen in deze tool, -
9:35 - 9:38konden we het eerste
moleculaire programma ontdekken -
9:38 - 9:40dat ze allemaal zou kunnen verklaren.
-
9:40 - 9:43Dat is toch wel
een prestatie op zich, niet? -
9:43 - 9:46Al die verschillende waarnemingen
met elkaar verzoenen, -
9:46 - 9:49is niet iets dat je even doet
op de achterkant van een envelop, -
9:49 - 9:52zelfs niet op een echt grote envelop.
-
9:52 - 9:55Nu we dat begrepen,
konden we een stap verder. -
9:55 - 9:57We kunnen dit gebruiken
-
9:57 - 9:59om te voorspellen
wat deze cel zou kunnen doen -
9:59 - 10:01in nieuwe omstandigheden.
-
10:01 - 10:04We konden het programma
in silico uittesten. -
10:05 - 10:06We deden precies dat:
-
10:06 - 10:09we maakten voorspellingen
die we testten in het lab -
10:09 - 10:12en we vonden dat dit programma
een hoge voorspellende waarde had. -
10:12 - 10:15Het vertelde ons hoe we
de voortgang konden versnellen -
10:15 - 10:18om snel en efficiënt
naar de naïeve staat terug te keren. -
10:18 - 10:21Het vertelde ons op welke genen
we ons moesten richten -
10:21 - 10:23en welke genen dit proces
zelfs zouden kunnen hinderen. -
10:23 - 10:25We vonden zelfs dat het programma
-
10:25 - 10:28de volgorde voorspelde
waarin de genen inschakelden. -
10:29 - 10:32Deze benadering liet ons echt
de dynamiek ontdekken -
10:32 - 10:35van wat de cellen doen.
-
10:35 - 10:39Wat we hebben ontwikkeld, is geen methode
die specifiek is voor stamcelbiologie. -
10:39 - 10:41Nee, ze stelt ons in staat te begrijpen
-
10:41 - 10:44wat de cel aan berekeningen uitvoert
-
10:44 - 10:47in de context van
genetische wisselwerkingen. -
10:47 - 10:49Het is slechts één bouwsteen.
-
10:49 - 10:52Het gebied moet dringend
nieuwe methodes ontwikkelen -
10:52 - 10:54voor een breder begrip
van biologische berekening -
10:54 - 10:56en wel op verschillende niveaus,
-
10:56 - 10:59vanaf DNA tot aan
de informatiestroom tussen cellen. -
11:00 - 11:03Alleen dit soort transformatief begrip
-
11:03 - 11:05zal ons toelaten om de biologie
-
11:05 - 11:08op een voorspelbare
en betrouwbare manier te benutten. -
11:09 - 11:12Maar om biologie te programmeren,
is ook de ontwikkeling nodig -
11:12 - 11:14van tools en talen
-
11:14 - 11:18waarmee zowel experimentalisten
als computationele wetenschappers -
11:18 - 11:20biologische functies kunnen ontwerpen
-
11:20 - 11:24en dan die ontwerpen vertalen
naar het machinecodeniveau van de cel, -
11:24 - 11:25haar biochemie,
-
11:25 - 11:27zodat we vervolgens
die structuren kunnen bouwen. -
11:27 - 11:31Dat lijkt wel een samensteller
van levende software -
11:31 - 11:34en ik ben trots deel te zijn
van een team van Microsoft -
11:34 - 11:35dat werkt aan de ontwikkeling daarvan.
-
11:35 - 11:39Dat het een grote uitdaging is,
is wel een understatement, -
11:39 - 11:40maar eens gerealiseerd,
-
11:40 - 11:44zou het de laatste brug zijn
tussen software en wetware. -
11:45 - 11:48Biologieprogrammering zal echter
alleen maar mogelijk worden -
11:48 - 11:52als we het gebied echt
interdisciplinair kunnen maken. -
11:52 - 11:56De wetenschappen van de fysica
en het leven moeten we verbinden -
11:56 - 11:58en wetenschappers uit
elk van deze disciplines -
11:58 - 12:01moeten kunnen samenwerken
met gemeenschappelijke talen -
12:01 - 12:03en gedeelde wetenschappelijke vragen.
-
12:05 - 12:08Uiteindelijk moeten we beseffen
dat veel van de grote softwarebedrijven -
12:08 - 12:11en de technologie
waarmee wij dagelijks werken, -
12:11 - 12:13nauwelijks voorstelbaar was
-
12:13 - 12:16toen we voor het eerst
programmeerden op silicium microchips. -
12:16 - 12:19Nu we gaan nadenken
over de technologische mogelijkheden -
12:20 - 12:22van de computationele biologie,
-
12:22 - 12:25zien we een aantal van de stappen
die we moeten nemen -
12:25 - 12:26om dat te realiseren.
-
12:27 - 12:30Nu is er de ontnuchterende gedachte
dat van dit soort technologie -
12:30 - 12:32misbruik gemaakt kan worden.
-
12:32 - 12:34Als we willen praten over de mogelijkheden
-
12:34 - 12:36van immuuncellen programmeren,
-
12:36 - 12:38moeten we ook bedenken
-
12:38 - 12:41dat we bacteriën kunnen ontwerpen
om ze ontwijken. -
12:41 - 12:43Er kunnen mensen zijn
die dat zouden willen doen. -
12:44 - 12:45Een geruststellende gedachte is
-
12:45 - 12:48dat -- nou ja, minder
voor de wetenschappers -- -
12:48 - 12:51is dat biologie een fragiel ding is
om mee te werken. -
12:51 - 12:53Biologie programmeren is niet iets
-
12:53 - 12:55dat je in je tuinhuisje gaat doen.
-
12:56 - 12:58Omdat we aan het begin hiervan staan,
-
12:58 - 13:00kunnen we verder gaan
met onze ogen wijd open. -
13:00 - 13:03We kunnen vooraf
de moeilijke vragen stellen, -
13:03 - 13:06de nodige waarborgen instellen
-
13:06 - 13:09en gecombineerd hiermee
nadenken over onze ethiek. -
13:09 - 13:11We moeten nadenken
over het trekken van grenzen -
13:11 - 13:13voor het implementeren
van biologische functies. -
13:13 - 13:17Als onderdeel hiervan zal onderzoek
in de bio-ethiek prioritair moeten zijn. -
13:17 - 13:20Ze mag niet op de tweede plaats komen
-
13:20 - 13:22in de opwinding
over de wetenschappelijke innovatie. -
13:23 - 13:27Maar de ultieme prijs,
de ultieme bestemming op deze reis, -
13:27 - 13:30zouden baanbrekende toepassingen
en baanbrekende industrieën zijn -
13:30 - 13:34op het gebied van landbouw,
geneeskunde, energie en materialen, -
13:34 - 13:36en zelfs van het computeren.
-
13:36 - 13:41Stel dat we ooit de planeet duurzaam
konden voorzien van ultieme groene energie -
13:41 - 13:45als we iets zouden kunnen nabootsen wat
planten millennia geleden al uitvonden: -
13:46 - 13:48hoe zonne-energie te benutten
met een rendement -
13:48 - 13:51dat buiten het bereik ligt
van onze huidige zonnecellen. -
13:52 - 13:54Als we het programma begrepen
van de kwantuminteracties -
13:54 - 13:58die planten het zonlicht
zo efficiënt laten absorberen, -
13:58 - 14:02konden we dat vertalen
in de bouw van synthetische DNA-circuits -
14:02 - 14:04die een materiaal vormen
voor betere zonnecellen. -
14:05 - 14:09Er zijn nu teams en wetenschappers
die aan de fundamenten hiervan werken. -
14:09 - 14:12Met de juiste aandacht
en de juiste investeringen, -
14:12 - 14:15zou het in 10 of 15 jaar
kunnen worden gerealiseerd. -
14:15 - 14:19We staan dus aan het begin
van een technologische revolutie. -
14:19 - 14:22Inzicht in deze oude soort
van biologische berekening -
14:22 - 14:24is de cruciale eerste stap.
-
14:24 - 14:26Als we dit kunnen realiseren,
-
14:26 - 14:29zouden we het tijdperk betreden
van een besturingssysteem -
14:29 - 14:31dat levende software draait.
-
14:31 - 14:32Veel dank.
-
14:32 - 14:34(Applaus)
- Title:
- De volgende softwarerevolutie: cellen programmeren
- Speaker:
- Sara-Jane Dunn
- Description:
-
De cellen in je lichaam zijn als computersoftware: ze zijn 'geprogrammeerd' om specifieke functies op specifieke tijden uit te voeren. Als we dit proces beter kunnen begrijpen, krijgen we de mogelijkheid om cellen zelf te programmeren, zegt computerbioloog Sara-Jane Dunn. In een toespraak over de allernieuwste wetenschap legt ze uit hoe haar team embryonale stamcellen bestudeert om een nieuw begrip te krijgen van de biologische programma's die het leven voeden -- en 'levende software' ontwikkelen die medicijnen, landbouw en energie zou kunnen transformeren.
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 14:47
Axel Saffran approved Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Rik Delaet accepted Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Rik Delaet edited Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Rik Delaet edited Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Rik Delaet edited Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Axel Saffran declined Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Axel Saffran edited Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Axel Saffran edited Dutch subtitles for The next software revolution: programming biological cells |