Growing up in central Wisconsin, I spent a lot of time outside.
In the spring, I'd smell the heady fragrance of lilacs.
In the summer, I loved the electric glow of fireflies
as they would zip around on muggy nights.
In the fall, the bogs were brimming with the bright red of cranberries.
Even winter had its charms,
with the Christmassy bouquet emanating from pine trees.
For me, nature has always been a source of wonder and inspiration.
As I went on to graduate school in chemistry, and in later years,
I came to better understand the natural world in molecular detail.
All the things that I just mentioned,
from the scents of lilacs and pines
to the bright red of cranberries and the glow of fireflies,
have at least one thing in common:
they're manufactured by enzymes.
As I said, I grew up in Wisconsin, so of course, I like cheese
and the Green Bay Packers.
But let's talk about cheese for a minute.
For at least the last 7,000 years,
humans have extracted a mixture of enzymes
from the stomachs of cows and sheep and goats
and added it to milk.
This causes the milk to curdle -- it's part of the cheese-making process.
The key enzyme in this mixture is called chymosin.
I want to show you how that works.
Right here, I've got two tubes,
and I'm going to add chymosin to one of these.
Just a second here.
Now my son Anthony, who is eight years old,
was very interested in helping me figure out a demo for the TED Talk,
and so we were in the kitchen, we were slicing up pineapples,
extracting enzymes from red potatoes
and doing all kinds of demos in the kitchen.
And in the end, though,
we thought the chymosin demo was pretty cool.
And so what's happening here
is the chymosin is swimming around in the milk,
and it's binding to a protein there called casein.
What it does then is it clips the casein --
it's like a molecular scissors.
It's that clipping action that causes the milk to curdle.
So here we are in the kitchen, working on this.
OK.
So let me give this a quick zip.
And then we'll set these to the side and let these simmer for a minute.
OK.
If DNA is the blueprint of life,
enzymes are the laborers that carry out its instructions.
An enzyme is a protein that's a catalyst,
it speeds up or accelerates a chemical reaction,
just as the chymosin over here is accelerating the curdling of the milk.
But it's not just about cheese.
While enzymes do play an important role in the foods that we eat,
they also are involved in everything from the health of an infant
to attacking the biggest environmental challenges
we have today.
The basic building blocks of enzymes are called amino acids.
There are 20 common amino acids,
and we typically designate them with single-letter abbreviations,
so it's really an alphabet of amino acids.
In an enzyme, these amino acids are strung together,
like pearls on a necklace.
And it's really the identity of the amino acids,
which letters are in that necklace,
and in what order they are, what they spell out,
that gives an enzyme its unique properties and differentiates it from other enzymes.
Now, this string of amino acids,
this necklace,
folds up into a higher-order structure.
And if you were to zoom in at the molecular level
and take a look at chymosin, which is the enzyme working over here,
you would see it looks like this.
It's all these strands and loops and helices and twists and turns,
and it has to be in just this conformation to work properly.
Nowadays, we can make enzymes in microbes,
and that can be like a bacteria or a yeast, for example.
And the way we do this is we get a piece of DNA
that codes for an enzyme that we're interested in,
we insert that into the microbe,
and we let the microbe use its own machinery, its own wherewithal,
to produce that enzyme for us.
So if you wanted chymosin, you wouldn't need a calf, nowadays --
you could get this from a microbe.
And what's even cooler, I think,
is we can now dial in completely custom DNA sequences
to make whatever enzymes we want,
stuff that's not out there in nature.
And, to me, what's really the fun part
is trying to design an enzyme for a new application,
arranging the atoms just so.
The act of taking an enzyme from nature and playing with those amino acids,
tinkering with those letters,
putting some letters in, taking some letters out,
maybe rearranging them a little bit,
is a little bit like finding a book
and editing a few chapters or changing the ending.
In 2018, the Nobel prize in chemistry
was given for the development of this approach,
which is known as directed evolution.
Nowadays, we can harness the powers of directed evolution
to design enzymes for custom purposes,
and one of these is designing enzymes for doing applications in new areas,
like laundry.
So just as enzymes in your body
can help you to break down the food that you eat,
enzymes in your laundry detergent
can help you to break down the stains on your clothes.
It turns out that about 90 percent of the energy
that goes into doing the wash
is from water heating.
And that's for good reason --
the warmer water helps to get your clothes clean.
But what if you were able to do the wash in cold water instead?
You certainly would save some money,
and in addition to that,
according to some calculations done by Procter and Gamble,
if all households in the US were to do the laundry in cold water,
we would save the emissions of 32 metric tons of CO2 each year.
That's a lot,
that's about the equivalent
of the carbon dioxide emitted by 6.3 million cars.
So, how would we go about designing an enzyme
to realize these changes?
Enzymes didn't evolve to clean dirty laundry,
much less in cold water.
But we can go to nature, and we can find a starting point.
We can find an enzyme that has some starting activity,
some clay that we can work with.
So this is an example of such an enzyme, right here on the screen.
And we can start playing with those amino acids, as I said,
putting some letters in, taking some letters out,
rearranging those.
And in doing so, we can generate thousands of enzymes.
And we can take those enzymes,
and we can test them in little plates like this.
So this plate that I'm holding in my hands
contains 96 wells,
and in each well is a piece of fabric with a stain on it.
And we can measure how well each of these enzymes
are able to remove the stains from the pieces of fabric,
and in that way see how well it's working.
And we can do this using robotics,
like you'll see in just a second on the screen.
OK, so we do this, and it turns out
that some of the enzymes are sort of in the ballpark
of the starting enzyme.
That's nothing to write home about.
Some are worse, so we get rid of those.
And then some are better.
Those improved ones become our version 1.0s.
Those are the enzymes that we want to carry forward,
and we can repeat this cycle again and again.
And it's the repetition of this cycle that lets us come up with a new enzyme,
something that can do what we want.
And after several cycles of this,
we did come up with something new.
So you can go to the supermarket today, and you can buy a laundry detergent
that lets you do the wash in cold water because of enzymes like this here.
And I want to show you how this one works too.
So I've got two more tubes here,
and these are both milk again.
And let me show you,
I've got one that I'm going to add this enzyme to
and one that I'm going to add some water to.
And that's the control,
so nothing should happen in that tube.
You might find it curious that I'm doing this with milk.
But the reason that I'm doing this
is because milk is just loaded with proteins,
and it's very easy to see this enzyme working in a protein solution,
because it's a master protein chopper,
that's its job.
So let me get this in here.
And you know, as I said, it's a master protein chopper
and what you can do is you can extrapolate what it's doing in this milk
to what it would be doing in your laundry.
So this is kind of a way to visualize what would be happening.
OK, so those both went in.
And I'm going to give this a quick zip as well.
OK, so we'll let these sit over here with the chymosin sample,
so I'm going to come back to those toward the end.
Well, what's on the horizon for enzyme design?
Certainly, it will get it faster --
there are now approaches for evolving enzymes
that allow researchers to go through far more samples
than I just showed you.
And in addition to tinkering with natural enzymes,
like we've been talking about,
some scientists are now trying to design enzymes from scratch,
using machine learning, an approach from artificial intelligence,
to inform their enzyme designs.
Still others are adding unnatural amino acids to the mix.
We talked about the 20 natural amino acids,
the common amino acids, before --
they're adding unnatural amino acids
to make enzymes with properties unlike those that could be found in nature.
That's a pretty neat area.
How will designed enzymes affect you in years to come?
Well, I want to focus on two areas:
human health and the environment.
Some pharmaceutical companies
now have teams that are dedicated to designing enzymes
to make drugs more efficiently and with fewer toxic catalysts.
For example, Januvia,
which is a medication to treat type 2 diabetes,
is made partially with enzymes.
The number of drugs made with enzymes is sure to grow in the future.
In another area,
there are certain disorders
in which a single enzyme in a person's body doesn't work properly.
An example of this is called phenylketonuria,
or PKU for short.
People with PKU are unable to properly metabolize or digest phenylalanine,
which is one of the 20 common amino acids that we've been talking about.
The consequence of ingesting phenylalanine for people with PKU
is that they are subject to permanent intellectual disabilities,
so it's a scary thing to have.
Now, those of you with kids --
do you guys have kids, here, which ones have kids?
A lot of you.
So may be familiar with PKUs,
because all infants in the US are required to be tested for PKU.
I remember when Anthony, my son, had his heel pricked to test for it.
The big challenge with this is: What do you eat?
Phenylalanine is in so many foods, it's incredibly hard to avoid.
Now, Anthony has a nut allergy, and I thought that was tough,
but PKU's on another level of toughness.
However, new enzymes may soon enable PKU patients
to eat whatever they want.
Recently, the FDA approved an enzyme designed to treat PKU.
This is big news for patients,
and it's actually very big news
for the field of enzyme-replacement therapy more generally,
because there are other targets out there where this would be a good approach.
So that was a little bit about health.
Now I'm going to move to the environment.
When I read about the Great Pacific Garbage Patch --
by the way, that's, like, this huge island of plastic,
somewhere between California and Hawaii --
and about microplastics pretty much everywhere,
it's upsetting.
Plastics aren't going away anytime soon.
But enzymes may help us in this area as well.
Recently, bacteria producing plastic-degrading enzymes were discovered.
Efforts are already underway to design improved versions
of these enzymes.
At the same time, there are enzymes that have been discovered
and that are being optimized
to make non-petroleum-derived biodegradable plastics.
Enzymes may also offer some help in capturing greenhouse gases,
such as carbon dioxide, methane and nitrous oxide.
Now, there is no doubt, these are major challenges,
and none of them are easy.
But our ability to harness enzymes may help us to tackle these in the future,
so I think that's another area to be looking forward.
So now I'm going to get back to the demo --
this is the fun part.
So we'll start with the chymosin samples.
So let me get these over here.
And you can see here,
this is the one that got the water,
so nothing should happen to this milk.
This is the one that got the chymosin.
So you can see that it totally clarified up here.
There's all this curdled stuff, that's cheese,
we just made cheese in the last few minutes.
So this is that reaction
that people have been doing for thousands and thousands of years.
I'm thinking about doing this one at our next Kids to Work Day demo
but they can be a tough crowd, so we'll see.
(Laughter)
And then the other one I want to look at is this one.
So this is the enzyme for doing your laundry.
And you can see that it's different than the one that has the water added.
It's kind of clarifying,
and that's just what you want for an enzyme in your laundry,
because you want to be able to have an enzyme
that can be a protein chowhound, just chew them up,
because you're going to get different protein stains on your clothes,
like chocolate milk or grass stains, for example,
and something like this is going to help you get them off.
And this is also going to be the thing that allows you
to do the wash in cold water, reduce your carbon footprint
and save you some money.
Well, we've come a long way,
considering this 7,000-year journey from enzymes in cheese making
to the present day and enzyme design.
We're really at a creative crossroads,
and with enzymes, can edit what nature wrote
or write our own stories with amino acids.
So next time you're outdoors on a muggy night
and you see a firefly,
I hope you think of enzymes.
They're doing amazing things for us today.
And by design,
they could be doing even more amazing things tomorrow.
Thank you.
(Applause)
خلال فترة نشأتي في ولاية ويسكونسن قضيت الكثير من الوقت في الخارج.
في الربيع، كنت أشمّ عبير أزهار ألليلك.
أما في الصيف، أحببتُ وهج اليرعات المضيء
عندما كانت تتنقّل في تلك الليالي الرّطبة.
وفي الخريف، تطغى حُمرة التّوت البري على المستنقعات.
وحتى الشتاء له سحره الخاص،
حيث تنبثق باقات الزهور من أشجار الصنوبرِ.
بالنسبةِ لي، لطالما كانت الطبيعةُ مصدراً للإعجاب والإلهام.
بما أنني أكملت دراسة الكيمياء، وفي السنوات اللاحقة،
توصلت إلى فهم أفضل عن عالم الطبيعة بالتفصيل الجزيئيّ.
كل تلك الأشياء التي ذكرتها للتو،
بدءًا من شذى زهور الليلك والصنوبر
وحتى حمرة التوت البري وتوهّج اليراعات،
نتفق جميعًا على الأقل في شيء واحد
أنها مصنوعة من الإنزيمات.
كما قلت، لقد ترعرت في ولاية ويسكونسن لذا أنا أحب الجبن بالطبع
وفريق غرين باي باكرز.
لكن دعونا نتحدث عن الجبن لدقيقة.
خلال السبعة آلاف عام الأخيرة،
استخلص البشر مزيجاً من الإنزيمات
من أمعاء الأبقار، والخراف، والماعز
وأضافوها للحليب.
وهذا يؤدي إلى تخثر الحليب- هذا جزء من عملية تصنيع الجبن.
والإنزيم المسئول عن هذا المزج يُسمى الكيموسين.
سأشرحُ لكم آلية العمل.
هنا، لدي أنبوبتان
وسأضيف إنزيم الكيموسين إلى إحداهن.
لحظة واحدة.
ابني أنتوني الذي يبلغ من العمر ثمانية أعوام،
كان مهتماً بمساعدتي في اختيار عيّنة لعرضها على منصة TED.
لذا كنّا في المطبخ نقطع الأناناس،
ونستخرج الإنزيمات من البطاطا الحمراء
ونحضّر جميع أنواع العينات في المطبخ.
وفي النهاية،
وجدنا أن عينة الكيموسين كانت رائعة للغاية.
إذاً، ما يحدث هنا الآن
الكيموسين يسبح في الحليب،
ويرتبط ببروتين يُطلَقُ عليه الكازين.
وما يقوم به بعدها هو التشابك مع الكازين.
وكأنها مقصّات جزيئية.
ذلك التشابك هو ما يؤدي إلى تخثّر الحليب.
ها نحن ذا في المطبخ، نعمل على هذا.
حسناً.
إذاً، دعوني أحرّك هذا قليلاً.
وسنضع هذه جانباً ونترك هذه لدقيقة لتغلي ببطء.
حسناً.
إذا كان الحمض النووي مخطط الحياة،
فالإنزيمات هي العمال المنفذين لتعليماته.
الإنزيم هو بروتين يعمل كمحفّز.
يزيد من سرعة التفاعل الكيميائي،
كما يعمل الكيموسين هنا على زيادة سرعة تخثر الحليب.
ولكن الأمر لا يتعلق بالجبن فقط.
بينما تقوم الإنزيمات بدور مهم في الغذاء الذي نتناوله،
إنها أيضاً مشاركة في كل شيء بدءاً من صحة الرضيع
وانتهاءً بمواجهتها أكبر التحديات البيئية
التي نواجهها يوميّاً.
اللبنات الأساسية للإنزيم هي الأحماض الأمينية.
هناك 20 نوعاً شائعاً،
وعادةً نشير إليها بأحرف مفردة كاختصارات،
هي حقاً أبجدية من الأحماض الأمينية.
في الإنزيم، الأحماض الأمينية تكون مترابطة
كمجموعة لآلىء في قلادة.
وهذه هي حقاً ماهية الأحماض الأمينية،
أي الحروف الموجودة في ذلك العقد،
وبحسب ترتيبها يتم تمييزها،
ما يعطي الإنزيم خصائصه الفريدة ويميزه عن الإنزيمات الأخرى.
الآن، سلسلة الأحماض الأمينيية هذه،
هذه القلادة
تنطوي في هيكل أعلى مرتبة.
فلو قمتم بالتكبير إلى المستوى الجزيئي
وألقيتم نظرةً على الكيموسين، والذي هو الإنزيم الذي يقوم بعمله هنا
لَوَجدتم بأنّه سيكون بهذا الشكل.
إنّه كل هذه التفرعات والحلقات واللوالب والالتفافات والمنعطفات،
ويجب أن تكون بهذا الشكل لتقوم بعملها.
هذه الأيام، نستطيع صناعة الإنزيمات في الميكروبات،
يمكن لذلك أن يكون مثل البكتيريا أو الخميرة مثلاً.
ونفعل ذلك عن طريق أخذ جزء من الحمض النووي
الذي يُعبِّر عن الإنزيم الذي نرغب به،
وندرج ذلك إلى الميكروب،
وندع الميكروب يستخدم آليَّته ووسائله،
لينتج لنا ذلك الإنزيم.
إذاً، إذا أردتَ الكيموسين لن تحتاج إلى عِجْل، هذه الأيام
يمكنك الحصول عليه من الميكروب.
والأكثر روعة من ذلك، أعتقد،
أنّه باستطاعتنا الآن أن نتصل بسلاسل حمض نووي مخصَّصة
لصناعة أي إنزيم نريده،
أشياء غير موجودة في الطبيعة.
إنَّ الجزء المُسلّي بالنسبة لي
هو محاولة تصميم إنزيم من أجل استعمال جديد،
تنظيم الذرات بشكل مرتّب.
القيام بأخذ إنزيم من الطبيعة واللعب بتلك الأحماض الأمينية،
القيام بالترقيع بتلك الأحرف،
إدخال بعض الأحرف وإخراج بعض الأحرف،
وربما القيام بترتيبهم قليلاً،
هو نوعاً ما مثل إيجاد كتاب
والتعديل على بعض الفصول أو تغيير النهاية.
في عام 2018، جائزة نوبل في الكيمياء
مُنحت من أجل تطوير هذا النهج،
والذي يُعرف بالتطور المباشر.
هذه الأيام، يمكننا تسخير طاقات التطور المباشر
لتصميم إنزيمات لغايات مخصَّصة،
ومنها تصميم إنزيمات للقيام بتطبيقات في مجالات جديدة،
مثل غسيل الملابس.
كما الإنزيمات في أجسامكم
بإمكانها أن تساعدكم بتحليل الطعام الذي تتناولونه،
إنزيمات في مسحوق الغسيل خاصّتكم
بإمكانها أن تساعدكم في تحليل البقع التي على ملابسكم.
يتبين أنه حوالي %90 من الطاقة
التي تُستهلك خلال عملية الغسيل
من تسخين الماء.
وذلك لسبب جيد.
سخان الماء يساعد في تنظيف ملابسكم.
ولكن، ماذا لو كان باستطاعتكم الغسل بالماء البارد؟
لكنتم بالتأكيد ستوفرون بعض المال
وبالإضافة إلى ذلك،
وفقاً لبعض الحسابات التي قام بها بروكتر أند جامبل،
لو قامت كل الأسر في أمريكا بالغسيل بالماء البارد،
سنتمكن من توفير 32 طن متري من ثاني أكسيد الكربون سنوياً.
ذلك كثير،
وذلك تقريباً يكافئ
ثاني أكسيد الكربون المنبعث من 6.5 مليون سيارة.
إذاً، كيف نبدأ بتصميم إنزيم
لنحقق هذه التغييرات؟
الإنزيمات لم تتطور لتنظِف الغسيل القذر،
وهي أقل تطوراً في الماء البارد.
ولكن يمكننا الذهاب للطبيعة، ويمكننا إيجاد نقطة بداية.
يمكننا إيجاد إنزيم لديه بعض نشاطات البدء،
بعض الطين الذي يمكننا العمل به.
إذاً، هذا مثال عن ذاك الإنزيم، هنا على الشاشة.
وباستطاعتنا ان نبدأ اللعب بتلك الأحماض الأمينية، كما ذكرت،
إدخال بعض الأحرف، وإخراج بعض الأحرف.
إعادة ترتيبها.
وبالقيام بذلك، باستطاعتنا أن ننتج آلاف الإنزيمات.
ويمكننا أخذ تلك الإنزيمات،
وتجربتهم في لوحات صغيرة كهذه.
إذاً، هذه اللوحة التي أحملها بيداي
تحتوي 96 حفرة،
وفي كل حفرة يوجد قطعة قماش وعليها بقعة.
ويمكننا قياس جودة كل من هذه الإنزيمات
في قدرتها على إزالة البقع من قطع القماش،
ونرى بتلك الطريقة جودة عملها.
ويمكن ذلك بالاستعانة بعلم الروبوتات،
كما سترى على الشاشة خلال ثانية.
حسناً، نقوم بذلك، ويتضح لنا
أن بعض الأنزيمات بنفس المستوى تقريباً
من نشاط البدء.
إنّه ليس بشيء مميز ليُذكر.
بعضها أسوأ، نقوم بالتخلص منها.
وبعضها أفضل.
تلك الإنزيمات المتطورة تصبح إصدارنا 1.0s.
تلك هي الإنزيمات التي نريد أن نمضي بها قدماً،
وباستطاعتنا أن نكرر الأمر مرة تلو الأخرى.
إن تكرار هذا الأمر هو الذي يجعلنا نبتكر إنزيماً جديداً،
شيء يمكنه القيام بما نريد.
وبعد دورات عديدة من هذا الإجراء
ابتكرنا شيئاً جديداً بالفعل.
لذا بإمكانكم الذهاب للمتجر اليوم لتشتروا مسحوق الغسيل
الذي يمكِّنكم من الغسيل بالماء البارد بسبب إنزيمات كهذه.
وأريد أن أريكم كيفية القيام بذلك أيضاً.
إذاً، لدي أنبوبتان إضافيتان هنا،
وكلاهما تحتويان الحليب أيضاً.
ودعوني أُريكم،
سأقوم بإضافة هذا الإنزيم إلى إحداها
بينما سأضيف ماء إلى الأخرى.
وذلك هو أنبوب التحكم،
لذا يجب أن لا يحدث شيء في تلك الأنبوبة.
ربما سيثير فضولكم أنني أقوم بهذا بالحليب.
لكن سبب قيامي بهذا
هو أن الحليب مليء بالبروتينات،
وإنه لمن السهل رؤية هذا الإنزيم يعمل بمحلول بروتين،
لأنه مفرمة بارعة للبروتينات،
ذلك هو عمله.
إذاً، دعوني أضع هذا هنا.
كما تعلمون، وكما قلت سابقاً إنه مفرمة بارعة للبروتينات
وبإمكانكم أن تستقرئوا ما يفعله ذلك الإنزيم بهذا الحليب
وما الذي قد يفعله بغسيلكم.
إذاً، هذه نوعاً ما طريقة لتصور ما قد يحدث.
حسناً، تم وضع كليهما.
وكذلك سأقوم بغلقها بسرعة.
حسناً، سندع هذه هنا مع عينة الكيموسين،
لأعود لهم لاحقاً في النهاية.
ماذا سيحدث قريباً لتصميم الإنزيم؟
بالتأكيد، ستتطور الأمور بسرعة -
يوجد الآن أساليب جديدة لتطوير الإنزيمات
والتي تسمح للباحثين بالتعامل مع عدد من النماذج أكبر
من تلك التي أطلعتكم عليها.
وبالإضافة إلى إصلاح إنزيمات طبيعية،
كتلك التي كنا نتحث عنها،
الآن بعض العلماء يحاولون تصميم الإنزيمات من الصفر،
باستخدام تَعلُّم الآلة، وسيلة من الذكاء الاصطناعي،
لتمد تصاميم الإنزيم خاصتهم بالمعلومات.
والبعض ما زال يضيف الأحماض الأمينية غير الطبيعية للمزيج.
لقد تحدثنا عن ال20 حمض أميني طبيعي،
الأحماض الأمينية الشائعة، سابقاً
إنهم يضيفون أحماضاً أمينية غير طبيعية
لصناعة إنزيمات تمتلك خصائص لا تشبه تلك التي توجد في الطبيعة.
إنه حقاً مجال ذكي.
كيف ستؤثر عليكم الإنزيمات المصمَّمة في السنوات القادمة؟
حسناً، سأركّز على مجالين:
صحة الإنسان والبيئة.
بعض شركات الأدوية
لديها الآن فرق مخصصة لتصميم الإنزيمات
لصناعة الدواء بشكل أكثر فعالية وبمحفزات سامة أقل.
مثلاً، جانوفيا،
وهي دواء لمعالجة النوع الثاني من السكري،
تُصنَع جزئيّاً بالإنزيمات.
عدد الأدوية التي تُصنَع باستخدام الإنزيمات بالتأكيد سيزداد في المستقبل.
في مجال آخر،
هنالك بعض الاضطرابات
حيث يمكن لإنزيم ما في جسم الإنسان أن لا يعمل بشكل صحيح.
ومثال على ذلك بيله الفينيل كيتون
أو باختصار PKU .
الناس المصابين بذلك غير قادرين على الأيض أو هضم الفينيل ألانين،
والذي هو واحد من الـ20 حمض أميني شائع الذين كنا نتحث عنهم.
عاقبة تناول الفينيل ألانين للناس المصابة ببيله الفينول كيتون
أنهم سيكونون معرضين للإصابة بإعاقة ذهنية دائمة،
إذاً هذا شيء مخيف.
الآن، الذين منكم عندهم أولاد
هل لديكم أولاد؟ هنا، من منكم عنده أولاد؟
الكثير منكم.
فربما تعرفون بيله الفينول كيتون،
لأن جميع الرُّضع في أمريكا يجب أن يتم فحصهم لهذا المرض.
أنا أتذكّر عندما تم فحص ابني أنتوني لذلك، بوخز كعب قدمه.
التحدي الكبير في ذلك المرض هو: ماذا تأكل؟
يوجد الفينول ألانين بالعديد من الأطعمة، من الصعب تجنبه.
أنتوني الآن عنده حساسية ضد الفستق، واعتقدتُ بأن ذلك كان صعباً،
لكن الـ PKU في مستوى آخر من الصعوبة.
ومع ذلك، قريباً ستُمكن الإنزيمات الجديدة مرضى الـ PKU
أن يأكلوا ما يريدون.
مؤخراً، وافقت إدارة الغذاء والدواء على إنزيم مُصمم لمعالجة الـ PKU.
هذه أخبار عظيمة للمرضى،
وهي فعلاً أخبار عظيمة
لمجال علاج استبدال الإنزيم بشكل أعم،
لأنه يوجد هنالك أهداف أخرى سيكون من الجيد استخدام هذا النهج معها.
كان ذلك القليل حول الصحة.
والآن سأنتقل لأتطرق للبيئة.
عندما قرأتُ عن رقعة القمامة في المحيط الهادئ،
بالمناسبة، إنها كهذه الجزيرة الضخمة من مادّة البلاستيك
في مكان ما بين كاليفورنيا وهاواي.
واللدائن البلاستيكية تقريباً في كل مكان،
ذلك مُحزن.
البلاستيك لن يختفي قريباً.
لكن ربما ستساعدنا الإنزيمات في هذا المجال كذلك.
مؤخراً، تم اكتشاف بكتيريا منتجة لإنزيمات تقوم بتحليل البلاستيك.
الجهود بدأت تُبذَل بالفعل لتصميم إصدارات مُطوَّرة
من هذه الإنزيمات.
وفي نفس الوقت، هنالك إنزيمات تم اكتشافها
ويتم الآن تحسينها
لصناعة بلاستيك مُشتَق من مصدر غير بترولي وقابل للتحلّل الطبيعي.
وربما تقدم الإنزيمات بعض المساعدة في السيطرة على الغازات الدفيئة
مثل غاز ثاني أوكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز.
الآن، من غير شك، إنها تحديات كبيرة،
وليس بينها ما هو سهل.
لكن ربما قدرتنا على تسخير الإنزيمات ستساعدنا على معالجة ذلك في المستقبل،
لذا أعتقد بأنّه مجال آخر لنتطلّع إليه.
إذاً، الآن سأعود إلى العيّنة
هذا هو الجزء المسلي.
إذاً، سنبدأ بنموذج الكيموسين.
دعوني أضع هذا هنا.
وباستطاعتكم رؤية هذا
هذه هي الأنبوبة التي تحوي الماء،
لذا لا يجب أن يحدث شيء لهذا الحليب.
وهذه هي التي تحوي الكيموسين.
لذا بإمكانكم رؤية أنها مُصَفّات من الأعلى.
هنالك كل تلك الأشياء المُتخثِّرة، إنه الجبن،
لقد قمنا للتو بإعداد الجبن في آخر الدقائق.
إذاً، ها هو التفاعل
الذي كان يقوم به الناس عبر آلاف السنين.
أفكر بالقيام بهذه لأولادنا في عرض يوم العمل
ولكن ربما سيكونون حشداً مشاكساً، سنرى ذلك.
(ضحك)
وبعد ذلك، الأنبوبة الأخرى التي أريد النظر إليها هي هذه.
هذا هو الإنزيم الذي سيُستخدم للقيام بغسيلكم.
ويمكنكم رؤية أنها مختلفة عن تلك التي أُضيفَ لها الماء.
إنه توضيح نوعاً ما،
وهذا بالضبط هو الإنزيم الذي تريدونه للقيام بغسيلكم،
لأنكم تريدون الحصول على إنزيم
مُولَع بتناول البروتين، يقوم فقط بالتهامه،
لأنّ ملابسكم ستتعرّض لبقع مختلفة من البروتين
مثل حليب الشوكولاتة، أو بقع عشبية
وشيء كهذا سيساعدكم على التخلّص منها.
وهذا سيكون أيضاً الشيء الذي يمكّنكم
من القيام بالغسيل بالماء البارد وتخفيف بصمة الكربون خاصتكم
وتوفير بعض المال عليكم.
حسناً، لقد اجتزنا الكثير،
بالنظر إلى رحلة 7,000 سنة بدءاً من الإنزيمات في صناعة الجبن
حتى يومنا الحاضر وتصميم إنزيم.
نحن حقّاً في مفترق طرق مبدع،
وبالإنزيمات، يمكننا تعديل ما كتبته الطبيعة
أو كتابة قصصنا مع الأحماض الأمينية.
لذا في المرّة القادمة عندما تكونون في الخارج في ليلة حارّة
وترَون اليراعات،
آمل أن تفكروا بالإنزيمات.
إنها تقوم بأشياء مذهلة لصالحنا.
ومن خلال التصميم،
يمكنها غداً أن تقوم بأشياء أكثر روعة.
شكراً لكم.
(تصفيق)
Als Kind in Wisconsin, verbrachte ich viel Zeit draußen.
Im Frühling roch ich den berauschenden Duft des Flieders.
Im Sommer liebte ich das Leuchten der Glühwürmchen,
die durch die schwüle Nacht flogen.
Im Herbst waren die Sümpfe durch Cranberrys komplett rot.
Selbst der Winter war zauberhaft,
mit Kiefern, die weihnachtliches Grün verbreiteten.
Die Natur war für mich stets eine Quelle von Wunder und Inspiration.
Als ich später Chemie studierte,
begann ich die natürliche Welt auf Molekularebene zu verstehen.
Alles von dem ich gerade sprach,
vom Duft des Flieders und der Kiefern
bis hin zum hellen Rot der Cranberrys und dem Leuchten der Glühwürmchen,
haben mindestens eine Sache gemeinsam:
Sie sind durch Enzyme verursacht.
Wie gesagt, ich komme aus Wisconsin, also mag ich natürlich Käse
und die Green Bay Packers.
Sprechen wir mal über Käse.
Seit mindestens 7000 Jahren,
entnahmen Menschen ein Gemisch aus Enzymen
aus Mägen von Kühen, Schafen und Ziegen
und gaben es zu Milch.
Das führt dazu, dass die Milch gerinnt -- es ist Teil der Käseherstellung.
Das Schlüsselenzym des Gemischs heißt Chymosin.
Ich zeige Ihnen, wie es funktioniert.
Hier habe ich zwei Reagenzgläser,
und ich werde in eines Chymosin geben.
Ein Moment.
Mein achtjähriger Sohn Anthony war sehr interessiert daran,
mir bei der Demo für diesen Ted Talk zu helfen.
Also schnitten wir in der Küche Ananas,
entnahmen Enzyme aus roten Kartoffeln
und machten alle möglichen Demos.
Aber am Ende dachten wir,
die Chymosin Demo ist ziemlich cool.
Also, was hier passiert:
das Chymosin schwimmt in der Milch,
und es verbindet sich mit einem Protein names Casein.
Dann schneidet es ein Stück vom Casein ab --
wir eine molekulare Schere.
Dieser Schnitt ist es, der die Milch gerinnen lässt.
Hier sind wir in der Küche und arbeiten daran.
OK.
Also mischen wir das kurz.
Dann legen wir es zur Seite und lassen es kurz stehen.
OK.
Wenn DNS der Bauplan des Lebens ist,
sind Enzyme die Arbeiter, die ihre Anweisungen ausführen
Ein Enzym ist ein Protein und Katalysator,
es beschleunigt eine chemische Reaktion,
so wie das Chymosin dort die Milchgerinnung beschleunigt.
Aber es geht nicht nur um Käse.
Während Enzyme in unserer Nahrung eine wichtige Rolle spielen,
sind sie auch an allem anderen beteiligt,
von der Gesundheit eines Kindes
hin zur Lösung der schwersten Umweltprobleme unserer Zeit.
Die Grundbausteine von Enzymen sind Aminosäuren.
Es gibt 20 gängige Aminosäuren
und wir kennzeichnen sie normalerweise mit einzelnen Buchstaben,
es ist wirklich ein Alphabet aus Aminosäuren.
Im Enzym sind diese Aminosäuren miteinander verbunden,
wie die Perlen einer Halskette.
Es ist die Identität der Aminosäuren,
welche Buchstaben in der Kette sind
und in welcher Reihenfolge, welches Wort sie schreiben,
die einem Enzym seine Merkmale gibt und es von anderen abgrenzt.
Nun faltet sich dieser Strang aus Aminosäuren,
diese Halskette,
in eine Struktur höherer Ordnung.
Und wenn wir auf Molekulargröße ranzoomen
und uns Chymosin, das Enzym, das hier an der Arbeit ist, anschauen,
sehen wir das hier.
Es ist voller Fäden und Schleifen, Spiralen und Kurven,
und nur in dieser Anordnung funktioniert es.
Heutzutage können wir in Mikroben Enzyme herstellen,
zum Beispiel in Bakterien oder in Hefe.
Hierzu nehmen wir ein Stück DNS,
das das Enzym, das uns interessiert, enkodiert,
wir setzen es in die Mikrobe ein,
und wir lassen die Mikrobe ihre eigene Machinerie verwenden,
um das Enzym für uns zu produzieren.
Also, wenn Sie Chymosin wollten, bräuchten Sie heute kein Kalb mehr --
Sie könnten es von einer Mikrobe bekommen.
Und noch viel cooler,
wir können heute maßgeschneiderte DNS Sequenzen einfügen
und damit Enzyme machen,
die es in der Natur gar nicht gibt.
Und es macht wirklich Spaß,
Enzyme für neue Anwendungen zu entwickeln
und die Atome entsprechend anzuordnen.
Enzyme aus der Natur zu nehmen, und mit den Aminosäuren zu spielen,
die Buchstaben zu verändern,
einige hinzuzufügen, einige wegzunehmen,
sie neu anzuordnen,
das ist ein bisschen wie in einem Buch,
ein paar Kapitel zu bearbeiten, oder das Ende anzupassen.
2018 wurde der Nobelpreis für Chemie
für die Entwicklung dieses Ansatzes namens gerichtete Evolution vergeben.
Heute nutzen wir gerichtete Evolution,
um Enzyme für spezielle Zwecke herzustellen,
zum Beispiel zur Anwendung in neuen Bereichen,
wie Wäsche waschen.
So wie die Enzyme in Ihrem Körper
helfen Ihre Nahrung zu verdauen,
können Enzyme im Waschmittel helfen,
die Flecken von Ihrer Kleidung zu lösen.
Etwa 90 Prozent der Energie,
die man zum Wäsche waschen braucht,
ist zum Erhitzen des Wassers.
Und das aus gutem Grund --
warmes Wasser macht die Kleider sauber.
Aber was, wenn Sie statdessen mit kaltem Wasser waschen könnten?
Sie würden sicherlich Geld sparen.
Und außerdem würden wir,
nach einer Rechnung von Procter und Gamble,
wenn alle Haushalte in den USA Wäsche mit kaltem Wasser waschen würden.
jedes Jahr 32 Tonnen CO2 Ausstoß sparen.
Das ist viel,
das ist ungefähr so viel,
wie der Austoß von 6.3 Millionen Autos.
Also wie würden wir ein Enzym, das solche Veränderungen ermöglicht, herstellen?
Enzyme sind nicht zum Waschen von Kleidung gemacht,
schon gar nicht mit kaltem Wasser.
Aber wir können in der Natur einen Ausgangspunkt finden.
Wir können ein Enzym finden,
mit dessen natürlicher Aktivität wir arbeiten können.
Hier auf dem Bildschirm ist ein Beispiel für so ein Enzym.
Wie gesagt, können wir mit den Aminosäuren spielen,
ein paar Buchstaben hinzufügen, ein paar wegnehmen,
ein paar umstellen.
So können wir tausende Enzyme generieren.
Und wir können diese Enzyme nehmen
und sie, wie hier, auf kleinen Plättchen testen.
Also dieses Plättchen in meiner Hand,
hat 96 Aushöhlungen
und in jeder ist ein Stück Stoff mit einem Fleck drauf.
Und wir können messen, wie gut jedes der Enzyme
die Flecken aus dem Stoff entfernt
und so sehen, wie gut es funktioniert.
Wir können das mit Robotertechnik machen,
wie Sie gleich auf dem Bildschirm sehen werden.
Wenn wir das machen, zeigt sich,
dass einige der Enzyme sich im Rahmen des Anfangenzyms bewegen.
Das ist kein besonderer Erfolg.
Manche sind noch schlechter, also werfen wir sie weg.
Aber manche sind besser.
Diese verbesserten Enzyme werden unsere Version 1.0.
Das sind die Enzyme, mit denen wir weitermachen
und wir können diesen Zyklus immer weiter wiederholen.
Und die Wiederholung dieses Zyklus bringt uns zu einem neuen Enzym,
eines das tut, was wir möchten.
Und nach vielen Zyklen,
fanden wir etwas neues.
Sie könnnen heute im Supermarkt ein Waschmittel kaufen,
das sie aufgrund von diesen Enzymen mit kaltem Wasser waschen lässt.
Ich will Ihnen auch zeigen, wie das funktioniert.
Also habe ich noch zwei Reagenzgläser,
und beide wieder mit Milch.
Also lassen Sie mich zeigen,
einem gebe ich dieses Enyzm bei,
und zu einem gebe ich nur Wasser.
Das ist die Kontrolle,
hier sollte nichts passieren.
Vielleicht finden Sie es seltsam, dass ich das mit Milch mache.
Aber der Grund dafür ist,
dass Milch einfach voller Proteine steckt
und in einer Proteinlösung kann man das Enzym gut arbeiten sehen,
es ist ein meisterhafter Proteinschneider,
das ist seine Aufgabe.
Also lassen Sie mich das hier rein tun.
Wie gesagt, es ist ein meisterhafter Proteinschneider
und was es hier in der Milch tut,
können Sie auf das, was es in Ihrer Wäsche tut, übertragen
Also so lässt sich visualisieren, was passieren würde.
Gut, also beide sind drin.
Und ich mische das wieder kurz.
Also stellen wir das hier zur Chymosin Probe,
ich komme am Ende auf beide zurück.
Also, was ist die Zukunft der Enzymentwicklung?
Sie wird sicherlich schneller --
es gibt jetzt Methoden zur Enzymentwicklung,
die Forschern erlauben viel mehr Proben zu durchlaufen,
als ich Ihnen gezeigt habe.
Und neben dem Verändern von natürlichen Enzymen,
worüber wir gesprochen haben,
versuchen einge Forscher, Enzyme komplett neu herzustellen,
mit Hilfe von Maschinenlernen und künstlicher Intelligenz,
um ihre Form zu bestimmen.
Wieder andere fügen der Mischung künstliche Aminosäuren hinzu.
Wir sagten, es gibt 20 natürliche Aminosäuren,
die gewöhnlichen Aminosäuren --
sie fügen künstliche Aminosäuren hinzu,
um Enzyme mit Eigenschaften herzustellen, die in der Natur nicht vorkommen.
Das ist ein sehr spannendes Feld.
Wie werden künstliche Enzyme Ihr Leben in Zukunft verändern?
Ich will über zwei Bereiche sprechen:
Menschliche Gesundheit und die Umwelt.
Einige Pharmaunternehmen
haben nun eigene Abteilungen zur Enzymentwicklung,
um effektivere Medikamente mit weniger giftigen Katalysatoren zu machen.
Zum Beispiel wurde Januvia,
ein Medikament, das Typ 2 Diabetes behandelt.
teilweise mit Enzymen hergestellt.
Es wird in Zukunft sicher mehr mit Enzymen hergestellte Medikamente geben.
Außerdem gibt es bestimmte Krankheiten,
bei denen einzelne Enzyme im Körper nicht richtig funktionieren.
Ein Beispiel hierfür ist Phenylketonurie,
kurz PKU.
Menschen mit PKU können Phenylalanine, nicht recht verstoffwechseln und verdauen.
Also eines der 20 gängigen Aminosäuren, über die wir sprachen.
Wenn Menschen mit PKU Phenylalanine zu sich nehmen,
führt das zu permanenten geistigen Behinderungen.
Also eine furchteinflößende Erkrankung.
Also die unter Ihnen mit Kindern --
wer von Ihnen hier hat Kinder?
Viele von Ihnen.
Sie haben vielliecht von PKU gehört,
denn alle Kinder in den USA müssen darauf getestet werden.
Ich weiß noch als Anthony, mein Sohn, getestet wurde.
Die große Herausforderung dabei ist: Was kann man essen?
Phenylalanine sind schwer zu vermeiden, sie sind in so vielen Nahrungsmitteln.
Anthony hat eine Nussallergie, ich hielt das für schwierig,
aber PKU ist eine komplett andere Ebene.
Aber vielleicht könnten neue Enzyme bald dafür sorgen,
dass PKU Patienten essen können, was sie möchten.
Kürzlich ließ die US Arzneimittelbehörde ein Enzym zur PKU Behandlung zu.
Eine gute Nachricht für die Patienten
und für den Bereich der Enzymersatztherapie im Allgemeinen,
denn es gibt noch andere Erkrankungen, wo das ein guter Ansatz wäre.
Also, so viel zur Gesundheit.
Nun zur Umwelt.
Wenn ich vom Müll im Pazifik lese,
also der rießigen Insel aus Plastik,
irgenwo zwischen Kalifornien und Hawai --
und über Mikroplastik überall,
bin ich erschüttert.
Plastik wird nicht so schnell verschwinden.
Aber Enzyme könnten uns hier auch helfen.
Kürzlich wurden Bakterien mit Enzymen, die Plastik auflösen, gefunden.
Und es wird schon versucht verbesserte Versionen dieser Enzyme herzustellen.
Gleichzeitig wurden Enzyme gefunden,
die optimiert werden,
um biologisch abbaubares Plastik ohne Erdöl als Grundbaustoff herzustellen.
Enzyme könnten auch helfen Treibhausgase,
wie Kohlenstoff, Methan und Stickstoffoxid einzufangen.
Natürlich sind das große Herausforderungen
und nichts davon ist einfach.
Aber unser Fähigkeit Enzyme zu nutzen, könnten helfen, sie zu bewerkstelligen,
ich denke, darauf können wir uns freuen.
Also, zurück zur Demo --
zum spaßigen Teil.
Beginnen wir mit den Chymosin Proben.
Ich hole sie eben her.
Und wie Sie sehen,
das ist die mit Wasser,
also sollte mit der Milch nichts passieren.
Und das ist die mit dem Chymosin.
Sie sehen, sie ist komplett klar.
Da das geronnene Zeug, das ist Käse,
wir haben in ein paar Minuten Käse gemacht.
Das ist diese Reaktion,
die Menschen seit jahrtausenden nutzen.
Vielleicht zeige ich das bei der nächsten "Kinder am Arbeitsplatz"- Demo,
aber mal sehen, sie sind kritische Zuschauer.
(Gelächter).
Und hier ist die andere Probe.
Das ist das Enzym, das Ihre Wäsche wäscht.
Und es sieht anders aus als die Probe mit Wasser.
Es ist etwas klarer
und genau das wollen Sie von einem Enzym in Ihrer Wäsche.
Denn sie wollen ein Enzym,
das ein Proteinfresser ist und alles zerkleinert.
Denn Sie bekommen auf Ihre Kleidung verschiedene Proteinflecken,
wie Schokomilch oder Grasflecken,
und so etwas wird ihnen helfen, sie raus zu bekommen.
Und das macht es auch möglich,
die Wäsche in kaltem Wasser zu waschen,
den Kohlenstoffausstoß zu verringern und Geld zu sparen.
Nun, wir sind weit gekommen.
Wenn man diese 7000-jährige Reise von Enzymen, die Käse machen,
hin zu heutiger Enzymentwicklung bedenkt.
Wir sind an einem kreativen Scheideweg,
wo wir mit Enzymen bearbeiten können, was die Natur geschrieben hat
oder mit Aminosäuren unsere eigene Geschichte schreiben.
Also wenn sie nächstes Mal in einer schwülen Nacht draußen sind
und ein Glühwürmchen sehen,
hoffe ich, Sie denken an Enzyme.
Sie tun heute schon fantastische Dinge für uns.
Und durch unser Eingreifen,
könnten sie morgen noch fantastischere Dinge tun.
Danke.
(Applaus)
Al crecer en Wisconsin, pasé mucho tiempo al aire libre.
En la primavera, sentía el aroma encantador de las lilas.
En el verano, adoraba ver el brillo eléctrico de las luciérnagas
en las noches húmedas y calurosas.
En el otoño, los pantanos refulgían con el rojo de los arándanos.
Hasta el invierno tenía sus encantos, con los ramilletes navideños de los pinos.
Para mí, la naturaleza siempre ha sido una fuente de asombro e inspiración.
Cuando estudié química en la universidad, unos años después,
llegué a comprender mejor los detalles moleculares del mundo natural.
Todo lo que acabo de mencionar, desde el aroma de las lilas y los pinos
hasta el rojo intenso de los arándanos y el brillo de las luciérnagas,
tiene al menos un aspecto en común:
son creación de las enzimas.
Como conté, crecí en Wisconsin, y obviamente me gusta el queso
y los Green Bay Packers.
Pero hablemos ahora del queso.
Durante los últimos 7000 años,
las personas han extraído una mezcla de enzimas
del estómago de vacas, ovejas y cabras y la han agregado a la leche.
Esto hace que la leche cuaje, que es parte de la elaboración de quesos.
La enzima clave en esta mezcla se denomina "quimosina".
Quiero mostrarles cómo funciona.
Aquí tengo dos tubos, y voy a agregar quimosina a uno de ellos.
Un momento por favor.
Mi hijo Anthony, que tiene ocho años,
tenía ganas de ayudarme a armar la demostración para esta charla TED.
Estábamos en la cocina cortando rebanadas de ananá,
extrayendo las enzimas de las papas rojas
y haciendo todo tipo de demostraciones en la cocina.
Al final, nos pareció que la demostración de la quimosina quedó muy bien.
Entonces, lo que vemos aquí es cómo la quimosina nada en la leche
y se adhiere a una proteína llamada "caseína".
Lo que hace entonces es cortar la caseína, como si fuera una tijera molecular.
Este corte provoca el cuajado de la leche.
Aquí estamos en la cocina trabajando en esto.
Bien.
Ahora agitaré los tubos,
los pondré a un costado y los dejaré reposar un minuto.
Bien.
Si el ADN es el plano de la vida,
las enzimas son los obreros que ejecutan las instrucciones.
Una enzima es una proteína, un catalizador:
acelera una reacción química,
así como esta quimosina acelera el cuajado de la leche.
Pero no solamente fabrica queso.
Si bien las enzimas cumplen un rol esencial en los alimentos que comemos,
también participan en procesos como la salud de los niños
y pueden ayudar a combatir los problemas ambientales actuales.
Los aminoácidos son los elementos más importantes de las enzimas.
Existen 20 aminoácidos comunes,
y usualmente se los designa con una abreviatura de una sola letra.
Así que tenemos un abecedario de aminoácidos.
En una enzima, los aminoácidos se ubican uno tras otro,
como las perlas de un collar.
La identidad del aminoácido se determina según las letras del collar
y el orden en que aparecen.
Eso determina las características únicas de una enzima
y la diferencian de las demás.
Esta cadena de aminoácidos se pliega y forma una estructura de orden superior.
Si pudiésemos observar la quimosina a nivel molecular,
que es la enzima de este experimento, veríamos que luce así.
Pueden ver todas estas hebras, bucles, hélices, nudos y giros.
Tiene que tener exactamente esta estructura para funcionar bien.
Hoy día, podemos crear enzimas en los microbios,
por ejemplo, en una bacteria o en la levadura.
Para esto necesitamos una parte de ADN
con el código de la enzima que nos interesa.
La insertamos en el microbio
y dejamos que el microbio use sus propios mecanismos y recursos
para producir la enzima que queremos.
Para extraer quimosina, no necesitaríamos un ternero hoy en día.
Podríamos obtenerla a partir de un microbio.
Más interesante aún: podemos manipular
secuencias de ADN completamente personalizadas
y crear cualquier enzima que queramos, que no existan en la naturaleza.
Para mí, la parte más divertida
es intentar diseñar una enzima que tenga nuevos usos,
con tan solo ordenar los átomos.
Tomar enzimas de la naturaleza y experimentar con esos aminoácidos,
acomodando esas letras, agregando algunas, quitando otras,
quizá reorganizándolas un poco,
es similar a tomar un libro y editar unos cuantos capítulos o cambiar el final.
En 2018, el premio Nobel de química se otorgó a quien desarrolló este método,
que se conoce como "evolución dirigida".
Actualmente, podemos potenciar la capacidad de la evolución dirigida
para diseñar enzimas con fines específicos,
por ejemplo, enzimas que puedan aplicarse en nuevas áreas,
como la lavandería.
Así como las enzimas en su organismo los ayudan a descomponer lo que comen,
las enzimas en su jabón de lavado
los ayudan a descomponer las manchas de la ropa.
Resulta que alrededor del 90 % de la energía que requiere un lavado
es por calentar el agua.
Y es así por una buena razón:
el agua más caliente ayuda a limpiar la ropa.
Pero ¿y si pudiéramos lavar la ropa con agua fría?
Ciertamente ahorrarían algo de dinero y, además,
según cálculos realizados por Procter & Gamble,
si en todos los hogares de EE. UU. se usara agua fría para lavar la ropa,
nos ahorraríamos emisiones de 32 toneladas de CO2 por año.
Es un montón,
casi lo mismo que el dióxido de carbono emitido por 6,3 millones de vehículos.
Entonces, ¿cómo podríamos diseñar enzimas que diesen lugar a estos cambios?
Las enzimas no evolucionaron para lavar la ropa sucia,
mucho menos en agua fría.
Pero podemos encontrar en la naturaleza un punto de partida:
dar con una enzima que presente alguna funcionalidad,
arcilla con la que comenzar.
Aquí en la pantalla vemos un ejemplo de ese tipo de enzimas.
Podemos comenzar a experimentar con los aminoácidos
agregando algunas letras, quitando otras, reacomodándolas.
Y al hacer esto podemos generar miles de enzimas.
Podemos tomar estas enzimas
y ponerlas a prueba en placas como esta.
Esta placa en mis manos contiene 96 pocillos,
y en cada uno hay una muestra de tela con manchas.
Podemos medir la eficacia con la que cada una de estas enzimas
remueve las manchas de las telas, y ver así cuán bien funcionan.
Podemos hacer esto con la robótica,
como verán en pantalla dentro de un segundo.
Entonces, al hacer esto,
resulta que algunas enzimas están dentro del rango de las enzimas básicas.
Nada peculiar en ello.
Algunas no son buenas, y nos deshacemos de ellas.
Otras sí son buenas.
Esas enzimas mejoradas son nuestra versión 1.0
y las que queremos desarrollar.
Podemos repetir este ciclo una y otra vez.
La repetición de este ciclo nos permite dar con nuevas enzimas
que puedan hacer lo que queremos.
Tras varios de estos ciclos, encontramos algo nuevo.
Así que hoy pueden ir al supermercado y comprar un jabón de lavado
que les permita lavar con agua fría gracias a estas enzimas.
Quiero mostrarles cómo funciona esta enzima.
Tengo otros dos tubos aquí, y ambos tienen leche.
Permítanme mostrarles:
A uno le agregaré esta enzima y al otro le agregaré agua.
Será el grupo de control, así que nada cambiará en ese tubo.
Quizá les parezca curioso que haga esto con leche.
Pero la razón es que la leche tiene muchas proteínas,
y es sencillo ver cómo trabajan las enzimas en una solución proteica
ya que es una experta en descomponer proteínas.
Tiene esa función.
Déjenme poner esto aquí.
Como mencioné, es experta en descomponer proteínas
y pueden extrapolar lo que hace en la leche
a lo que haría en su lavarropas.
Podemos visualizar de esta manera lo que ocurriría.
Bien, estos dos están listos.
Voy a agitar también estos dos.
Los pondremos aquí junto a las muestras de quimosina
y regresaré a ellos al final de la charla.
¿Qué es lo que se avecina en el futuro del diseño de enzimas?
Ciertamente, será más rápido.
Existen enfoques nuevos para desarrollar enzimas
que permiten a los investigadores analizar muchas más muestras.
Además de manipular las enzimas naturales, que es lo que he estado mostrando,
hoy algunos investigadores intentan diseñar enzimas desde cero
usando el aprendizaje automático, un enfoque de la inteligencia artificial,
para enriquecer sus diseños de enzimas.
Otros agregan a la mezcla aminoácidos artificiales.
Mencionamos los 20 aminoácidos básicos de la naturaleza hace un momento.
Ellos agregan aminoácidos artificiales para crear enzimas distintas
a las que podrían encontrarse en la naturaleza.
Es un área interesante.
¿Cómo nos afectará en el futuro el diseño de enzimas?
Pues bien, quiero centrarme en dos áreas: la salud humana y el medioambiente.
Algunas farmacéuticas
tienen ahora equipos que se dedican a diseñar enzimas
para crear fármacos con mayor eficiencia y con menos catalizadores tóxicos.
Por ejemplo, Januvia,
un medicamento para tratar la diabetes tipo 2,
está parcialmente creado con enzimas.
Los fármacos creados con enzimas seguramente aumentarán en el futuro.
En otra área, existen ciertos trastornos
en los que una única enzima no funciona bien en el organismo.
Un ejemplo es la llamada "fenilcetonuria", o PKU, por sus siglas en inglés.
La gente con PKU no puede metabolizar o digerir apropiadamente la fenilalanina,
uno de los 20 aminoácidos básicos que ya he mencionado.
La consecuencia de ingerir fenilalanina para las personas con PKU
es que se arriesgan a desarrollar discapacidades intelectuales permanentes.
Es una enfermedad aterradora.
Ahora bien, quienes tengan hijos...
¿Cuántos padres hay aquí?
Muchos.
Puede que estén familiarizados con la PKU
pues en EE. UU. a todos los niños debe hacérseles una prueba de PKU.
Recuerdo cuando a mi hijo Anthony le pincharon el talón para hacerle la prueba.
El gran desafío aquí es qué comer.
Hay fenilalanina en tantos alimentos que es muy difícil evitarla.
Anthony es alérgico a los frutos secos y creí que eso era un problema,
pero la PKU está a otro nivel.
Sin embargo, las nuevas enzimas podrían permitir a los pacientes de PKU
comer lo que quieran.
Recientemente, la FDA aprobó una enzima diseñada para tratar la PKU.
Es una muy buena noticia para los pacientes
y también para el campo de la terapia de reemplazo enzimático,
pues existen otros casos en que esto podría aplicarse también.
Eso con relación a la salud.
Ahora hablemos sobre el medioambiente.
Cuando leí sobre "la isla de la basura" en el Pacífico,
que es una enorme isla de plástico en algún lugar entre California y Hawái,
y sobre los microplásticos prácticamente en todo el mundo,
me alarmé.
Los plásticos no van a desaparecer.
Y las enzimas pueden ayudarnos en esta área también.
Recientemente, se descubrieron bacterias
que producen enzimas capaces de degradar plástico.
Ya hay estudios para diseñar versiones mejoradas de estas enzimas.
Al mismo tiempo,
se han optimizado nuevas enzimas
para crear plásticos biodegradables que no deriven del petróleo.
Las enzimas también pueden capturar los gases de efecto invernadero,
como dióxido de carbono, metano y óxido nitroso.
No cabe duda de que se trata de grandes desafíos,
y ninguno de ellos es sencillo.
Pero la habilidad de potenciar las enzimas puede ayudarnos con esto en el futuro,
por eso creo que es otra área a investigar.
Ahora retomaré la demostración.
Esta parte es divertida.
Empezamos con las muestras de quimosina.
Déjenme acomodar esto.
Pueden ver que esta muestra es una de las que obtuvo agua,
así que no debería pasar nada con la leche.
Esta muestra obtuvo quimosina.
Pueden ver que esta parte se aclaró totalmente.
Esta parte cuajada es el queso: acabamos de hacer queso en unos minutos.
Hemos estado produciendo esta reacción durante miles y miles de años.
Quizá haga esta demostración para el "día de niños en el trabajo",
aunque pueden ser un público difícil, así que veremos.
También quiero que veamos esto.
Se trata de la enzima usada en el lavado de ropa.
Pueden ver que es diferente a la que se le agregó agua.
Parece ser más clara,
y es exactamente así como queremos que sea la enzima para el lavado,
porque es necesario tener una enzima que pueda devorar las proteínas,
pues tendrán manchas de diferentes proteínas en su ropa,
como leche chocolatada o manchas de pasto.
Y esto ayudará a limpiarlas.
También les permitirá lavar la ropa con agua fría,
reducir la huella de carbono y ahorrar algo de dinero.
Hemos avanzado bastante,
si consideramos el recorrido de 7000 años de las enzimas
en la creación de quesos hasta el diseño de enzimas actual.
Nos encontramos en una encrucijada creativa,
y con las enzimas podemos editar lo que la naturaleza dispuso,
o escribir nuestras propias historias con los aminoácidos.
La próxima vez que estén al aire libre, durante una noche húmeda,
y vean una luciérnaga, espero que se acuerden de las enzimas.
Ahora mismo están actuando para nuestro beneficio.
Y al diseñarlas,
podrían realizar tareas más increíbles en el futuro.
Gracias.
(Aplausos)
به دلیل بزرگ شدن در ویسکانسین مرکزی، زمان زیادی را بیرون گذراندم.
در بهار، رایحه عطر زنبق را استشمام می‌کنم.
در تابستان، من عاشق درخشش الکتریکی کرم‌های شب تاب شدم
وقتی که آنها شب‌های مه آلود دور هم جمع می‌شدند.
در پاییز، باتلاق‌ها سرشار ازذغال اخته قرمز روشن بودند.
حتی زمستان جذابیت‌های خود را نیز داشت.
با دسته گل‌های کریسمس که از درختان کاج نشات می‌گرفت.
برای من، طبیعت همیشه منبع شگفتی و الهام بوده است.
همانطور که من به تحصیلات تکمیلی شیمی رفتم و در سال‌های بعد،
به درک بهتر دنیای طبیعی با جزئیات مولکولی رسیدم.
تمام چیزهایی که من
فقط از رایحه‌های شیرین زنبق و گلابی
تا زغال اخته قرمز روشن و درخشش کرم‌های شب تاب ذکر کردم،
حداقل یک چیز مشترک دارند:
آنها توسط آنزیم‌ها تولید می‌شوند.
همانطور که گفتم، من در ویسکانسین بزرگ شدم خب البته من پنیر دوست دارم
و تیم فوتبال گرین بی پکرز.
اما بیایید یک دقیقه در مورد پنیر صحبت کنیم.
برای حداقل ۷۰۰۰ سال گذشته،
انسان‌ها مخلوطی از آنزیم‌ها
را از معده گاوها و گوسفندان و بزها استخراج کردند
و آن را به شیر اضافه کردند.
این باعث می‌شود که شیر بریده شود -- این بخشی از فرآیند ساخت پنیر است.
آنزیم کلیدی موجود در این مخلوط کیموزین نام دارد.
من می‌خواهم به شما نشان دهم که چگونه این کار می‌کند.
درست اینجا، دو لوله دارم.
و می‌خواهم کیموزین را به یکی از این آنها اضافه کنم.
فقط یک ثانیه.
پسرم آنتونی، که اکنون هشت سال دارد،
علاقه زیادی داشت که به من کمک کند تا یک نسخه‌ی نمایشی برای TED Talk پیدا کند.
و به همین دلیل در آشپزخانه بودیم، آناناس‌ها را خرد می‌کردیم،
و آنزیم‌ها را از سیب زمینی قرمز استخراج می‌کردیم
و در آشپزخانه انواع اجراها را انجام می‌دادیم.
اما در پایان، اگرچه،
ما فکر کردیم که نسخه آزمایشی کیموزین بسیار جالب بود
و بنابراین آنچه که در اینجا اتفاق می‌افتد
این است که کیموزین در شیر غوطه می‌خورد.
و به پروتئین کازئین متصل می‌شود.
آنچه در ادامه داریم کلیپ‌های کازئین است --
این مانند یک قیچی مولکولی است
این عمل قطع کردن است که باعث بسته شدن شیر می‌شود.
بنابراین در اینجا ما در آشپزخانه هستیم که روی این موضوع کار می کنیم.
خب.
خب بگذارید یک تکان سریع به این بدهم.
و سپس آنها را در کنار هم قرار می‌دهیم و فرصت می‌دهیم که یک دقیقه بجوشد.
خب.
اگر دی‌ان‌ای طرح زندگی است
آنزیم‌ها کارگرانی هستند که دستورالعمل‌های آن را انجام می‌دهند.
آنزیم پروتئینی است که یک کاتالیزور است،
واکنش شیمیایی را سرعت می‌بخشد یا آن را تسریع می‌کند،
دقیقاً همانطوری که کیموزین موجود در اینجا باعث تسریع در دلمه شدن شیر می‌شود.
اما فقط مربوط به پنیر نیست.
در حالی که آنزیم‌ها نقش مهمی در غذاهایی که می خوریم، دارند،
اما در همه چیز از سلامت یک نوزاد
تا حمله به بزرگترین چالش‌های زیست محیطی که امروزه داریم،
نقش دارند.
بلوک‌های اساسی ساختاری آنزیم‌ها اسیدهای آمینه نامیده می‌شوند
۲۰ اسید آمینه رایج وجود دارد.
و ما به طور معمول آنها را با اختصارات تک حرفی تعیین می‌کنیم،
بنابراین این واقعا یک الفبای اسیدهای آمینه است.
در یک آنزیم، این اسیدهای آمینه مانند
مرواریدهایی روی گردنبند محکم به هم می‌چسبند.
و این واقعاً هویت اسیدهای آمینه است،
که حروف در آن گردنبند قرار دارند.
و به چه ترتیب هستند، چه هجی می‌کنند،
آن به آنزیم خواص بی نظیری می‌دهد و آن را از دیگر آنزیم‌ها متمایز می‌کند.
اکنون، این رشته از اسیدهای آمینه،
این گردنبند،
به ساختار مرتبه بالاتری می‌رسند.
و اگر در سطح مولکولی زوم می‌کردید
و به کیموزین نگاه کنید آنزیمی که در اینجا کار می‌کند،
می‌بینید که به نظر می‌رسد مانند این باشد.
این همه رشته‌ها و حلقه‌ها و مارپیچ‌ها و پیچ و تاب و چرخش،
و باید در این ترکیب باشد تا به درستی ایفای نقش کند.
امروزه می‌توانیم آنزیم‌ها را در میکروب‌ها سنتز کنیم.
و به عنوان مثال می‌تواند مانند باکتری یا مخمر باشد.
و روش انجام این کار این است که ما یک قطعه DNA تهیه می‌کنیم
که کدهای آنزیمی را که علاقه مند هستیم،
آن را وارد میکروب می‌کنیم.
و به میکروب اجازه می‌دهیم تا از ماشین‌های مخصوص خودش استفاده کند،
تا بتواند آن آنزیم را برای ما تولید کند.
پس اگر کیموزین نیاز داشتید، نیازی به گوساله ندارید، امروزه --
و می‌توانید این مورد را از یک میکروب به دست آورید.
و حتی جالبتر، فکر می‌کنم،
اکنون می‌توانیم توالی‌های DNA کاملاً سفارشی
برای سنتز هر آنزیمی که می‌خواهیم،
چیزهایی که در طبیعت وجود ندارد.
و برای من، آنچه در واقع بخش جالب است
سعی در طراحی آنزیم برای کاربرد جدید
تنظیم اتم‌ها است،
عمل به دست آوردن آنزیم از طبیعت و بازی با آن اسیدهای آمینه،
که با آن حروف سرهم می‌شوند.
چند حرف داخل آن قرار می‌گیرد، چند حرف از آن خارج می‌شود.
ممکن است کمی دوباره آنها را تغییر دهد،
کمی شبیه به پیدا کردن کتاب
و ویرایش چند فصل یا تغییر برای پایان است.
در سال ۲۰۱۸ جایزه نوبل شیمی
برای توسعه این رویکرد که به
عنوان تکامل کارگردانی شناخته می‌شود اهدا شد.
امروزه، می‌توانیم قدرت تکامل جهت دهی را
برای طراحی آنزیم‌ها برای اهداف مشتری مهار کنیم
یکی از این موارد طراحی آنزیم‌ها برای انجام برنامه‌های کاربردی در مناطق جدید،
مانند لباسشویی است
همانطور که آنزیم‌ها در بدن شما می‌توانند
به شما در هضم مواد غذایی که می‌خورید کمک کنند.
آنزیم‌های موجود در شوینده‌های ماشین لباسشویی
می‌توانند به تجزیه لکه‌های لباس شما کمک کنند.
به نظر می‌رسد که حدود ۹۰ درصد از انرژی
که برای شستشو صرف می‌شود
از گرم کردن آب است.
و به همین دلیل
آب گرم تر به تمیز کردن لباس شما کمک می‌کند.
اما اگر چه می‌شد می‌توانستید عوض آن در آب سرد شستشو انجام دهید؟
مطمئناً مقداری پول صرفه جویی می‌کنید.
و علاوه بر آن
طبق برخی محاسبات انجام شده توسط پراکتر و گمبل
اگر تمام خانوارهای ایالات متحده شستشوی لباس را در آب سرد انجام دهند.
ما هرساله ۳۲ تن گازهای گلخانه‌ای کربن دی اکسید را ذخیره می‌کنیم.
این بسیار است.
که معادل
دی اکسید کربنی است که توسط ۶.۳ میلیون اتومبیل ساطع می‌شود.
پس، چگونه می‌توانیم به دنبال طراحی
آنزیمی برای تحقق این تغییرات باشیم؟
آنزیم‌ها برای تمیز کردن لباس‌های کثیف
بسیار کمتر در آب سرد تکامل نیافته‌اند.
اما می‌توانیم به طبیعت برویم و می‌توانیم نقطه شروع را پیدا کنیم.
می‌توانیم آنزیمی پیدا کنیم که فعالیت اولیه خود را داشته باشد
مقداری خاک رس که می‌توانیم با آن کار کنیم.
پس این نمونه‌ای از چنین آنزیمی است. درست روی صفحه نمایش.
و می‌توانیم با آن اسیدهای آمینه بازی را شروع کنیم. همانطور که گفتم،
قرار دادن چند حروف، برداشتن چند حرف.
برای تغییر مجدد آن‌ها
و با انجام این کار می‌توانیم هزاران آنزیم تولید کنیم.
و می‌توانیم آن آنزیم‌ها را داشته باشیم.
می‌توانیم آنها را در صفحات کوچکی مثل این تست کنیم.
بنابراین این پلیت که من در دستان خود قرار می‌دهم
حاوی ۹۶ چاهک است.
و در هر چاه یک تکه با لکه روی آن قرار دارد.
و ما می‌توانیم اندازه بگیریم که هر یک از این آنزیم‌ها
چگونه خوب قادر به حذف لکه‌ها از روی پارچه‌ها هستند
و از این طریق می‌بینیم که چقدر خوب کار می‌کند.
و می توانیم این کار را با استفاده از روبات‌هایی
انجام دهیم که شما فقط روی صفحه می‌بینید.
خب، پس، ما این را انجام می‌دهیم، و معلوم می‌شود
که برخی از آنزیم ها به نوعی
آنزیم شروع کننده هستند.
این چیزی برای نوشتن در خانه نیست.
برخی بدتر هستند، بنابراین ما از شر آنها خلاص می‌شویم.
و بعد بعضی بهتر هستند.
آن‌هایی که بهبود یافته‌اند به نسخه ۱.۰ ما تبدیل می‌شوند
این آنزیم‌هایی هستند که می‌خواهیم آن را حمل کنیم،
می‌توانیم این چرخه را دوباره و دوباره تکرار کنیم.
و بعد از چندین چرخه از این که آنزیم جدیدی پیدا کردیم
چیزی که می‌خواهیم انجام می‌شود.
و بعد از چندین چرخه
ما با چیز جدیدی آمدیم.
پس می‌توانید امروز به سوپر مارکت بروید، و می‌توانید یک شوینده خریداری کنید
به شما امکان می‌دهد به خاطرآنزیم‌هایی مثل این شستشو را در آب سرد انجام دهید.
و می‌خواهم به شما نشان دهم که چگونه این یکی هم کار می‌کند.
من دو لوله دیگر در اینجا دارم.
و دوباره هر دو شیر هستند.
و بگذارید به شما نشان دهم
یکی را دارم که می‌خواهم این آنزیم را به آن اضافه کنم
و دیگری که می‌خواهم مقداری آب به آن اضافه کنم.
و این کنترل است.
بنابراین هیچ اتفاقی نباید در آن لوله رخ دهد.
ممکن است کنجکاو شوید که من این کار را با شیر انجام می‌دهم.
اما دلیل اینکه من این کار را انجام می دهم
این است که شیر تازه مملو از پروتئین‌ها است.
و دیدن کاراین آنزیم در یک محلول پروتئین بسیار آسان است.
زیرا این یک پروتئین اصلی است،
که کار آن است.
خب اجازه دهید این را اینجا بریزم.
و می‌دانید، همان طور گفتم. این پروتئین اصلی انتقالی است.
و کاری که می‌توانید انجام دهید این است که می‌توانید آنچه که در این شیر انجام می شود
به آنچه در لباسشویی شما انجام می دهد، استخراج کنید.
بنابراین این نوعی روش برای تجسم آنچه اتفاق می‌افتد است.
خب، هر دو وارد می‌شوند.
من می‌خواهم یک تکان سریع به این نیز بدهم.
خب، اجازه می‌دهیم که اینها با نمونه کیموزین در اینجا قرار بگیرند.
بنابراین من قصد دارم اواخر کار سراغ آن‌ها بازگردم.
خوب چه چیزی در گستره طراحی آنزیم وجود دارد؟
مطمئناً، این سرعتش را بیشتر خواهد کرد -
اکنون رویکردهایی در مورد تکامل آنزیم‌ها وجود دارد
که به محققان اجازه می‌دهد نمونه‌های بسیار بیشتری را
از آنچه من به شما نشان داده ام، طی کنند.
و علاوه بر سرهم شدن با آنزیم‌های طبیعی
مانند چیزی که راجع به آن صحبت کردیم.
برخی از دانشمندان اکنون سعی در طراحی آنزیم از نشاسته
با استفاده از ماشین یادگیری یک روش از هوش مصنوعی
برای آگاهی از طرح‌های آنزیمی خود هستند.
برخی دیگر اسیدهای آمینه غیرطبیعی را به این ترکیب اضافه می‌کنند.
ما در مورد ۲۰ اسید آمینه طبیعی،
اسیدهای آمینه رایج صحبت کردیم، قبلا --
آنها در حال افزودن اسیدهای آمینه غیر طبیعی
برای ساختن آنزیم‌هایی با ویژگی‌های برخلاف آن‌هایی که در طبیعت یافت می شوند هستند.
این منطقه بسیار مرتب است.
چگونه آنزیم‌های طراحی شده در سال های بعد روی شما تأثیر می‌گذارد؟
خوب، من می‌خواهم به دو موضوع توجه کنم:
سلامت انسان و محیط زیست.
در حال حاضر برخی از شرکت‌های داروسازی
دارای تیم‌هایی هستند که برای طراحی کارآمدتر
و با داشتن کاتالیزور سمی کمتر، به طراحی آنزیم‌ها اختصاص یافته‌اند.
به عنوان مثال، ژانوویا
که یک دارو برای درمان دیابت نوع ۲ است
تا حدی از آنزیم‌ها ساخته می‌شود.
مطمئناً تعداد داروهای ساخته شده با آنزیم‌ها در آینده رشد خواهد کرد.
در یک منطقه دیگر،
اختلالات خاصی وجود دارد
که یک آنزیم منفرد در بدن فرد به درستی کار نمی‌کند.
به عنوان مثال، فنیل کتونوریا
یا به اختصار PKU.
افراد مبتلا به PKU قادر به متابولیزه یا تجزیه مناسب فنیل آلانین نیستند،
این یکی از ۲۰ اسید آمینه رایج است که ما در مورد آن صحبت کردیم.
نتیجه مصرف فنیل آلانین در افراد مبتلا به PKU
این است که آنها در معرض ناتوانی ذهنی دائمی قرار دارند،
بنابراین این یک چیز ترسناک است.
حالا، آن‌هایی که بچه دارند --
کسی اینجا بچه دارد؟ کدام یک بچه دارید؟
بسیاری از شما.
بنابراین ممکن است با PKU آشنا باشید،
زیرا همه نوزادان در ایالات متحده باید برای PKU آزمایش شوند.
به یاد می‌آورم وقتی آنتونی، پسرم، از پاشنه پایش برای آزمایش نمونه برداشتند.
چالش بزرگ با این مسئله این است: چه می‌خورید؟
فنیلل آلانین در بسیاری از غذاها وجود دارد که اجتناب از آن فوق العاده دشوار است.
آنتونی حساسیت به آجیل دارد، و من فکر می کردم که سخت بود.
اما PKU در سطح دیگری از مقاومت آن است.
با این حال، آنزیم های جدید به زودی ممکن است بیماران PKU را
قادر به خوردن هر آنچه می‌خواهند سازند.
اخیراً سازمان غذا و دارو طرح آنزیمی را برای درمان PKU تصویب کرد.
این یک خبر بزرگ برای بیماران است.
و در واقع این خبر بسیار بزرگ
در زمینه آنزیم تراپی به طور کلی است.
زیرا اهداف دیگری در آنجا وجود دارد جایی که این روش خوبی خواهد بود.
بنابراین این کمی در مورد سلامتی بود.
حالا می‌خواهم به محیط زیست برگردم.
وقتی در مورد زباله دان‌های بزرگ اقیانوس آرام -- می‌خوانم
راستی، آن مثل، جزیره عظیم پلاستیکی است.
جایی بین کالیفرنیا و هاوایی --
و درباره میکروبلاستیک‌ها تقریباً زیاد در همه جا.
ناراحت کننده است.
پلاستیک‌ها به زودی از بین نمی‌روند
اما آنزیم‌ها ممکن است به ما در این زمینه نیز کمک کنند.
اخیراً باکتری‌های تولید کننده آنزیم‌های تخریب کننده پلاستیک کشف شدند.
در حال حاضر تلاش‌هایی برای طراحی نسخه‌های بهبود یافته
این آنزیم‌ها انجام شده است.
هم زمان، آنزیم‌هایی وجود دارد که کشف شده‌اند
و بهینه سازی شده‌اند
تا پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر مشتق غیرنفتی تولید کنند.
آنزیم‌ها همچنین ممکن است در به دام انداختن گازهای گلخانه‌ای به شما کمک کنند.
مانند دی اکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن.
اکنون، شکی نیست، این‌ها چالش‌های اساسی است.
و هیچ یک از آن‌ها آسان نیست.
اما توانایی ما برای مهار آنزیم‌ها ممکن است به ما در مقابله با این‌ها کمک کند.
فکر می‌کنم این منطقه دیگری باشد که باید به دنبال آن باشیم.
خب اکنون قصد دارم به آزمایش برگردم --
این بخش سرگرم کننده است.
پس با نمونه‌های کیموزین شروع خواهیم کرد.
بگذارید این‌ها را اینجا بیاورم.
و شما می‌توانید در اینجا شاهد باشید.
این همان کسی است که آب را دریافت کرده است،
بنابراین هیچ اتفاقی نباید برای این شیر بیفتد
این یکی است که کیموزین را دریافت کرده است.
بنابراین می‌بینید که کاملاً شفاف است.
در همه این مواد پنیر وجود دارد، این پنیر است.
ما فقط ظرف چند لحظه پیش پنیر درست کردیم.
بنابراین این همان واکنشی است
که مردم برای هزاران سال انجام داده‌اند.
فکر می‌کنم که این کار را کودکان و نوجوانان نسل بعد ما برای کار روزانه انجام دهند.
اما آن‌ها می‌توانند یک جمعیت سخت باشند، پس خواهیم دید.
(خنده حضار)
و نمونه دیگر که می‌خواهم نگاه کنم این یکی است.
خب این آنزیمی است برای لباسشویی شما.
و می‌بینید که متفاوت از آن چیزی است که آب اضافه کرده است.
این نوعی روشن شدن است.
آن چیزی است که شما از آنزیم برای لباسشویی انتظار دارید.
زیرا می‌خواهید آنزیمی داشته باشید
که می‌تواند پروتئین تجزیه کنننده باشد فقط آنها را تجزیه می‌کند.
چون می‌خواهید لکه‌های پروتئینی مختلفی را روی لباستان ازبین ببرید.
به عنوان مثال، شیر کاکائو یا لکه‌های چمن
و چیزی شبیه این به شما کمک می‌کند آنها را پاک کنید.
و این هم چیزی است که به شما امکان می‌دهد
شستشو را در آب سرد انجام دهید، انتشار کربن را کاهش دهید
و یاعث صرفه‌جویی برایتان شود.
خب، ما با در نظر گرفتن این سفر
۷۰۰۰ ساله از آنزیم‌ها درساخت پنیر تا امروز
و طراحی آنزیم راه زیادی را طی کرده‌ایم.
واقعاً در یک چهارراه خلاقانه هستیم.
و با آنزیم‌ها می‌توانیم آنچه طبیعت نوشت
یا داستان‌های ما با آمینو اسید می‌نویسند را ویرایش کنیم
پس دفعه بعد که در یک شب مه آلود بیرون از خانه هستید
و کرم شب تاب را مشاهده می‌کنید
امیدوارم که به آنزیم‌ها فکر کنید
آن‌ها امروزه کارهای شگفت انگیزی را برای ما انجام می‌دهند.
و به لطف طراحی
امروز می‌توانند حتی بیشتر از کارهای خارق العاده انجام دهند.
سپاسگزارم.
(تشویق)
J'ai grandi dans le Wisconsin, je passais beaucoup de temps dehors.
Au printemps, je sentais le parfum enivrant des lilas.
En été, j'aimais les points lumineux des lucioles
qui virevoltaient lors des nuits humides.
En automne, les marais débordaient de canneberges rouge vif.
Même l'hiver avait ses charmes,
avec ses pins aux bouquets qui évoquent Noël.
Pour moi, la nature a toujours été source d'émerveillement et d'inspiration.
Lors de mes études supérieures en chimie et par la suite,
j'ai mieux compris l'environnement naturel au niveau moléculaire.
Tout ce que je viens de mentionner,
depuis le parfum des lilas et des pins
au rouge vif des canneberges et aux lueurs des lucioles,
a au moins quelque chose en commun :
c'est fabriqué par des enzymes.
J'ai grandi dans le Wisconsin, donc j'aime le fromage
et l'équipe de foot des Green Bay Packers.
Mais parlons de fromage.
Depuis au moins 7 000 ans,
les humains ont extrait un mélange d'enzymes
de l'estomac des vaches, des brebis et des chèvres
et l'ont ajouté au lait pour faire du fromage ;
cela fait cailler le lait.
L'enzyme clé de ce mélange est la chymosine.
Je vais vous montrer comment ça marche.
Ici, j'ai deux tubes.
Je vais ajouter de la chymosine dans l'un d'eux.
Attendez une seconde.
Mon fils, Anthony, qui a huit ans,
voulait absolument m'aider à trouver une démo pour ma présentation.
Nous étions dans la cuisine à découper des ananas,
à extraire des enzymes de pommes de terre rouges
et à faire toutes sortes de démos.
Enfin, nous avons choisi
la démo très cool de la chymosine.
Voici ce qu'il se passe :
la chymosine nage dans le lait
et se lie à une protéine appelée caséine.
Elle coupe alors la caséine,
comme des ciseaux moléculaires.
Cette action de couper fait cailler le lait.
Nous voici donc dans la cuisine, à y travailler.
OK.
Laissez-moi mélanger cela.
Ensuite nous allons les mettre de côté, à mijoter pendant une minute.
OK.
Si l'ADN est le modèle de la vie,
les enzymes sont les ouvriers qui exécutent ses instructions.
Une enzyme est une protéine qui catalyse,
accélère un processus ou accélère une réaction chimique,
tout comme la chymosine ici accélère le caillage du lait.
Il ne s'agit pas que du fromage.
Si les enzymes jouent un rôle important dans nos aliments,
elles sont également impliquées dans tout, de la santé d'un nourrisson
au combat contre les défis environnementaux d'aujourd'hui.
Les éléments de base des enzymes sont appelés acides aminés.
Il y a 20 acides aminés courants
généralement désignés par une abréviation d'une seule lettre,
et c'est donc un alphabet d'acides aminés.
Dans une enzyme, les acides aminés sont liés ensemble,
comme les perles d'un collier.
L'identité des acides aminés, qui est déterminée
par les lettres dans ce collier,
l'ordre des lettres et ce qu'elles épellent,
donne à l'enzyme ses propriétés uniques et la différencie des autres enzymes.
Cette chaîne d'acides aminés,
ce collier,
se plie en une structure d'ordre supérieur.
Si vous zoomez au niveau moléculaire
et regardez la chymosine, l'enzyme qui est à l'œuvre ici,
elle ressemblerait à ceci -
des brins, des boucles, des hélices, et des tours et détours
qui doivent être dans cette conformation pour fonctionner correctement.
On peut maintenant créer des enzymes dans les microbes,
ce qui donnerait une bactérie ou une levure, par exemple.
Nous le faisons en prenant un morceau d'ADN
qui fournit le code de l'enzyme qui nous intéresse,
nous l'insérons dans le microbe
et nous laissons le microbe utiliser ses propres moyens
pour produire cette enzyme pour nous.
Donc si vous voulez de la chymosine, vous n'avez pas besoin d'un veau,
vous pouvez l'obtenir d'un microbe.
Encore plus cool,
on peut composer des séquences d'ADN personnalisées
et avoir des enzymes spécifiques,
qui ne sont pas dans la nature.
Pour moi, la partie la plus amusante
est d'essayer d'en créer une pour un emploi nouveau,
en organisant les atomes comme ceci.
Prendre une enzyme de la nature et jouer avec ses acides aminés,
en bricolant les lettres,
en ajoutant des lettres, en retirant d'autres,
peut-être en les réorganisant,
c'est un peu comme trouver un livre
et modifier des chapitres ou changer la fin.
En 2018, le prix Nobel de chimie
a été remis pour cette approche de développement, l'évolution dirigée.
Aujourd'hui, nous pouvons exploiter la capacité de l'évolution dirigée
pour créer des enzymes spécifiques,
pour les utiliser dans de nouveaux domaines,
comme la lessive.
Tout comme les enzymes du corps
aident à décomposer la nourriture que vous mangez,
celles du détergent de lessive
aident à décomposer les taches sur vos vêtements.
Il s'avère qu'environ 90% de l'énergie
utilisée pour faire la lessive
sert à chauffer l'eau.
Et ce, pour une bonne raison -
l'eau plus chaude rend les vêtements propres.
Et si vous étiez capable de faire la lessive à l'eau froide ?
Vous feriez des économies,
et, en plus,
selon des calculs de Procter and Gamble,
si toutes les familles aux États-Unis utilisaient l'eau froide,
nous économiserions 32 tonnes d'émissions de CO2 chaque année.
C'est beaucoup,
c'est presque l'équivalent
du dioxyde de carbone émis par 6,3 millions de voitures.
Comment fait-on pour créer une enzyme
et réaliser ces changements ?
Les enzymes n'évoluent pas pour laver la linge sale,
encore moins dans l'eau froide.
Nous pouvons aller dans la nature et trouver un point de départ.
On trouve une enzyme ayant une capacité d'activité,
un peu d'argile pour commencer.
Voici un exemple d'une telle enzyme, ici même sur l'écran.
On peut commencer à jouer avec ses acides aminés,
en ajoutant des lettres, en enlevant d'autres,
en les réorganisant.
Et ce faisant, nous pouvons générer des milliers d'enzymes.
Nous pouvons prendre ces enzymes
et les tester dans des microplaques comme celles-ci.
Cette microplaque que je tiens ici
contient 96 puits,
et dans chaque puits, il y a un morceau de tissu avec une tache.
On peut mesurer à quel point chaque enzyme
est capable d'enlever les taches des morceaux de tissu,
et ainsi voir si ça fonctionne bien.
On peut le faire avec la robotique,
comme vous le verrez sous peu sur l'écran.
OK, on fait ça et il s'avère
que certaines des enzymes donnent des résultats
comme l'enzyme de départ.
Donc, rien d'impressionnant,
Certaines sont pires, on s'en débarrasse.
Certaines sont meilleures.
Celles qui sont meilleures deviennent la version 1.0.
On veut poursuivre notre travail avec ces enzymes
et nous répétons ce cycle plusieurs fois.
C'est en répétant le cycle que nous arrivons à une nouvelle enzyme,
quelque chose qui fait ce qu'on veut.
Après plusieurs cycles,
on a fini par obtenir du nouveau.
Donc vous pouvez aller au supermarché et acheter un détergent de lessive
qui permet de laver à l'eau froide grâce aux enzymes comme celles-ci.
Je veux vous montrer comment celle-ci fonctionne.
J'ai deux tubes ici,
et c'est encore du lait.
Que je vous montre.
Je vais ajouter cette enzyme dans ce tube
et je vais ajouter de l'eau dans l'autre,
qui sert de témoin,
donc rien ne devrait se passer ici.
Vous pouvez trouver étrange que je fasse ça avec du lait.
C'est parce que le lait contient beaucoup de protéines
et c'est très facile voir cette enzyme à l'œuvre dans une solution de protéines
parce qu'elle coupe les protéines,
c'est son travail.
Donc, laissez-moi mettre ceci ici.
Comme j'ai dit, elle est là pour couper des protéines.
Vous pouvez donc déduire
ce qu'elle est en train de faire dans ce lait
et ce qu'elle ferait à votre lessive.
C'est une façon de visualiser ce qu'il se passerait.
OK, les deux sont là-dedans.
Je vais aussi mélanger un peu cela.
On les laisse reposer avec l'échantillon de la chymosine,
j'y reviendrai vers la fin.
Quoi de neuf à l'horizon en termes de création d'enzymes ?
Ce sera certainement plus rapide.
Des approches pour des enzymes évolutives :
les chercheurs traitent beaucoup plus d'échantillons
que je viens de vous montrer.
En plus des essais avec des enzymes naturelles,
des scientifiques essaient de créer des enzymes à partir de rien,
avec l'apprentissage de la machine,
une approche de l'intelligence artificielle,
pour concevoir des enzymes.
D'autres encore ajoutent des acides aminés non naturels au mélange.
On a parlé des 20 acides aminés naturels, courants,
mais ils ajoutent des acides aminés non naturels
pour créer des enzymes différentes de celles que l'on trouve dans la nature.
C'est un domaine plutôt chouette.
Comment les enzymes créées vous concerneront-elles ?
Je veux me concentrer sur deux domaines :
la santé humaine et l'environnement.
Des sociétés pharmaceutiques
ont maintenant des équipes spécialisées dans la création des enzymes
pour rendre les médicaments plus efficaces et avec moins de catalyseurs toxiques.
Januvia, un médicament pour le diabète de type 2
est créé en partie avec des enzymes.
Le nombre de médicaments créés avec des enzymes ne va qu'augmenter.
Dans un autre domaine,
il y a certaines maladies
causées par une seule enzyme du corps qui ne fonctionne pas.
Un exemple est la phénylcétonurie,
ou la PCU.
Les personnes souffrant de PCU
ne peuvent pas métaboliser ou digérer la phénylalanine,
qui est l'un de 20 acides aminés courants dont nous avons parlé.
L'ingestion de la phénylalanine par les personnes atteintes de la PCU
peut entraîner des handicaps intellectuels permanents.
Donc, c'est effrayant d'avoir ça.
Ceux qui ont des enfants --
qui ici a des enfants ?
Beaucoup d'entre vous.
Vous connaissiez peut-être la PCU,
car tous les enfants en bas âge aux États-Unis doivent être testés.
Anthony, mon fils, s'est fait piquer le talon pour le test
Le grand défi de la PCU : que mangez-vous ?
La phénylalanine est dans tant d'aliments que c'est difficile à éviter.
Anthony est allergique aux noix et je pensais que c'était dur,
mais la PCU est d'un autre niveau.
De nouvelles enzymes pourraient permettre aux patients atteints de PCU
de manger tout ce qu'ils veulent.
Récemment, la FDA a approuvé une enzyme créée pour traiter la PCU.
Bonne nouvelle pour les patients
et excellente nouvelle
pour le domaine de la thérapie par remplacement d'enzymes
parce qu'il y a d'autres cibles où ce serait une bonne approche.
J'ai parlé de la santé.
Passons maintenant à l'environnement.
Le vortex de déchets du Pacifique nord
est cette immense île de plastique,
entre la Californie et Hawaï.
Les microplastiques sont à peu près partout.
C'est bouleversant.
Les plastiques ne disparaîtront pas.
Mais les enzymes peuvent nous aider ici aussi.
On a récemment découvert
des bactéries produisant des enzymes décomposant le plastique.
Des efforts sont en cours pour perfectionner ces enzymes.
Il y a aussi des enzymes nouvellement découvertes,
en cours d'optimisation
pour créer des plastiques biodégradables non dérivés du pétrole.
Les enzymes peuvent aussi aider dans la capture des gaz à effet de serre,
tels que le dioxyde de carbone, le méthane et le protoxyde d'azote.
Il n'y a pas de doute que ce sont des défis majeurs
et aucun n'est facile.
Notre capacité à exploiter les enzymes peut nous aider à y faire face à l'avenir.
Je pense que c'est un nouveau domaine à explorer.
Maintenant, je vais retourner à la démo,
c'est la partie amusante.
Voyons les échantillons de la chymosine.
Laissez-moi les mettre ici.
Vous pouvez voir ici,
c'est celui avec l'eau,
donc ce lait n'aurait pas dû changer.
Ici, c'est celui avec de la chymosine.
Vous voyez que tout est complètement clarifié ici.
Il y a du lait caillé ici, c'est du fromage.
On vient tout juste de faire du fromage.
Voici donc le procédé
que les gens utilisent depuis des milliers et des milliers d'années.
Je pense faire ça pour ma prochaine démo devant des élèves,
mais ils peuvent être difficiles, alors on verra.
(Rires)
Je veux maintenant regarder celui-ci.
Voici donc l'enzyme pour faire votre lessive.
Vous pouvez voir que c'est différent de celle avec de l'eau.
La clarification a eu lieu
et c'est ce qu'il faut pour une enzyme pour votre lessive
parce que vous voulez avoir une enzyme
capable de dévorer des protéines, de les digérer,
car vous aurez différentes taches de protéines sur vos vêtements,
comme le lait au chocolat ou des taches d'herbe,
et quelque chose comme ça vous aidera à les enlever.
Ça vous permettra de faire la lessive à l'eau froide,
réduire votre empreinte de carbone et faire des économies.
Nous avons fait un long chemin,
un voyage de 7 000 ans, à partir d'enzymes pour la fabrication du fromage
jusqu'à présent et la création d'enzymes.
Nous sommes à un carrefour créatif,
nous pouvons modifier ce que la nature a écrit avec des enzymes
ou écrire nos histoires avec des acides aminés.
La prochaine fois que vous êtes dehors lors d'une nuit humide
et voyez une luciole,
vous penserez aux enzymes.
Elles font des choses extraordinaires pour nous.
Grâce à notre conception,
elles pourraient faire des choses plus étonnantes.
Merci.
(Applaudissements)
Wisconsinban nőttem fel, és sokat voltam friss levegőn.
Tavasszal beszívtam az orgona bódító illatát.
Nyáron rajongva követtem a szentjánosbogarak villogását
amint röpdöstek a fülledt éjszakákon.
Ősszel a mocsarak vakítóan piroslottak a rengeteg tőzegáfonyától.
Még a télnek is megvolt a bája:
a fenyőkből áradó, karácsonyt idéző illat.
A természet mindig a csoda és az ihlet forrása volt számomra.
Egyetemi kémiatanulásom során, de a későbbiekben is
egyre jobban értettem a természet molekuláris szintű világát.
Az előbb említett dolgoknak,
az orgona és a fenyő illatától kezdve
a tőzegáfonya vöröséig és a szentjánosbogarak villogásáig
legalább egy közös vonásuk van:
valamennyit enzimek hozzák létre.
Ahogy mondtam, Wisconsinban nőttem fel, tehát imádom a sajtokat
és a Green Bay Packers focistáit.
De egy picit maradjunk a sajtoknál!
Legalább 7000 éve
az ember enzimkeveréket vont ki
szarvasmarhák, juhok és kecskék gyomrából,
és hozzáadta a tejhez.
Ettől a tej megaludt, ez része a sajtgyártás folyamatának.
A keverék legfontosabb enzimje a kimozin.
Megmutatom, hogyan működik.
Két kémcsövünk van,
az egyikbe kimozint töltök.
Egy pillanat.
Nyolcéves Anthony fiam szívesen segített
bemutatót találnom a TED-előadáshoz.
A konyhában ananászt szeleteltünk,
enzimeket vontunk ki rózsakrumpliból.
Mindenféle szemléltető eszközöket csináltunk.
Végül úgy gondoltuk,
hogy a kimoziné ütős lesz.
Itt az történik,
hogy a kimozin úszik a tejben,
és hozzákötődik a kazein nevű fehérjéhez.
Szétvágja a kazeint,
mint a molekuláris olló.
Ettől a folyamattól alszik meg a tej.
Itt épp ezen dolgozunk a konyhában.
Jó.
Megrázom a kémcsöveket.
Most félretesszük, és várunk egy kicsit.
Rendben.
Ha a DNS az élet terve,
akkor az enzimek az utasítást végrehajtó munkások.
Az enzim az a fehérje, az a katalizátor,
amely felgyorsítja a vegyi reakciót,
mint ahogy pl. a kimozin felgyorsítja a tejalvadást.
De nem csak a sajttal van ez így.
Az enzimek nemcsak ételeinkben játszanak fontos szerepet,
hanem mindenben részt vesznek: a csecsemő egészségétől kezdve
egészen a napjainkban fölmerülő
legnagyobb környezeti bajok elleni küzdelemig.
A fehérjék építőelemei az aminosavak.
Húsz fontos aminosav létezik,
általában egybetűs rövidítésekkel jelöljük őket,
ezért ilyen ábécénk van belőlük.
Az enzimben az aminosavak láncot alkotnak,
mint a nyaklánc gyöngyszemei.
Az aminosavak egyénisége attól függ,
milyen betűkből áll a nyaklánc,
mi a betűk sorrendje,
ezek adják meg az enzim egyedi, más enzimektől eltérő tulajdonságait.
Az aminosavaknak ez a lánca,
ez a nyaklánc,
magasabb rendű szerkezetbe rendeződik.
Ha molekulaszintre közelítenénk rá,
és egy pillantást vetnénk a kimozinra, erre az enzimre,
ilyennek látnánk.
Az alkotóelemeknek, hurkoknak, csavarvonalaknak, kacskaringóknak
pont ilyen alakzatot kell ölteniük, hogy szabályosan működjön.
Ma mikrobákban is előállíthatunk enzimeket;
ez pl. lehet baktérium vagy élesztő.
Ehhez fogunk egy DNS-darabkát,
amely kódolja a kívánt enzimet,
és belehelyezzük a mikrobába.
Hagyjuk, hogy a mikroba használja a gépezetét, a szükséges eszközét
az enzim előállítására.
Ma nem kell borjú a kimozinhoz,
mikrobából is kinyerhetjük.
De még nagyszerűbb,
hogy ma teljes DNS-szekvenciákat alakíthatunk ki
a természetben nem létező,
kívánt enzimek előállítására.
Nekem a vicces az egészben,
hogy új alkalmazásokhoz enzimeket tervezhetek
az atomokat így-úgy elrendezve.
Fogni egy természetes enzimet, majd játszadozni az aminosavakkal,
bütykölni a betűkkel,
egyes betűket kivenni, másokat betenni,
egy kicsit ide-oda rakosgatni őket,
ez arra hasonlít,
mikor egy könyv fejezeteit szerkesztjük, vagy megváltoztatjuk a végét.
2018-ban a kémiai Nobel-díjat
e megközelítés fejlesztéséért,
az ún. irányított evolúcióért ítélték oda.
Ma az irányított evolúciót
különböző rendeltetésű enzimek előállítására használhatjuk.
Ezek egyike az enzimtervezés új területekre,
pl. mosásra való alkalmazása.
Ugyanúgy, ahogy a testünkben lévő enzimek
elősegítik az elfogyasztott étel lebontását,
a mosószerben lévő enzimek
lebonthatják a ruhán található foltokat.
Kiderül, hogy a mosásra fordított energia 90%-a
a mosás során
vízmelegítésre megy el.
Világos, hogy miért:
a melegebb víz jobban tisztít.
De mi lenne, ha hideg vízben moshatnánk?
Ez nemcsak pénzmegtakarítással járna,
hanem ráadásul,
a Procter and Gamble számításai szerint,
ha az USA minden háztartása hideg vízben mosna,
évente 32 tonna szén-dioxiddal kevesebbet bocsátanánk ki.
Ez elég sok,
6,3 millió autó CO₂-kibocsátásának
felel meg.
Hogyan hozzunk létre
e változások megvalósítására alkalmas enzimet?
Az enzimek evolúciója nem piszkos ruhák tisztítására ment végbe,
pláne nem hideg vízben.
De a természethez fordulva megtalálhatjuk a kezdőpontot:
olyan enzimet, amelynek van kezdeti aktivitása,
és amellyel kezdhetünk valamit.
Például ilyent láthatunk a kivetítőn.
Nekifoghatunk játszani az aminosavakkal,
egyes betűket kiveszünk, másokat beteszünk,
ide-oda rakosgatjuk őket.
Így ezernyi enzimhez juthatunk.
Aztán az enzimeket
ilyen kis lapokon tesztelhetjük.
A kezemben tartott lapon
96 mélyedés van,
ezek mindegyikében egy foltos anyagdarab.
Lemérhetjük, hogy egy-egy enzim
mennyire jól távolítja el a foltot az anyagról,
azaz mennyire hatékony.
A vizsgálatot robotok is végezhetik.
Mindjárt megláthatják, hogyan.
Kiderül, hogy némelyikük tulajdonságai
hozzávetőlegesen megegyeznek
a kiinduló enziméivel.
Semmi különös.
Némelyikéi rosszabbak, úgyhogy kidobhatjuk őket.
Néhányuké jobbak.
A javított kiadásúak lesznek az 1.0 változat.
Velük tovább dolgozunk.
A ciklust többször ismételhetjük.
A ciklus ismétlésével új enzimhez juthatunk,
amely a kívánt célra már alkalmas.
Néhány ciklus után
tényleg valami újhoz jutottunk.
Immár a szupermarketben megvehetjük a mosószert,
amellyel az enzimnek hála hideg vízben moshatunk.
Megmutatom, hogyan működik.
Fogok még két kémcsövet,
ezekben is tej van.
Nézzék!
Az egyikbe betöltöm az enzimet,
a másikba vizet töltök.
Ez a kontroll.
Ezzel a kémcsővel semmi sem történik.
Tán érdekli önöket, miért tejjel csinálom.
Ennek oka,
hogy a tej tele van fehérjével,
és könnyű kimutatni, hogy fehérjeoldatban miként működik az enzim,
mert remek fehérjeaprító.
Az a dolga.
Beleteszem a kémcsőbe.
Mondtam, hogy fehérjeaprító.
A tejben ugyanaz történik,
mint majd a mosnivalóval.
Így láthatóvá tehetem, ami történni fog.
Mindkettő kész.
Kissé megrázom.
Hagyjuk a kimozinmintával,
és az előadás végén megnézzük.
Mi várható az enzimtervezés terén?
Bizonyára fölgyorsul,
új módszerek vannak,
mellyel sokkal több mintát vizsgálhatunk,
mint a bemutatott módszerrel.
A természetes enzimekkel való bütykölgetésen túl,
amiről beszéltem,
némely kutató a semmiből állít elő enzimeket,
gépi tanulást és MI-t használva
az enzimek szerkezetének meghatározására.
Mások mesterséges aminosavakat adnak a keverékhez.
Korábban szó volt
a 20 természetes aminosavról.
E kutatók mesterséges aminosavakat adnak hozzájuk,
így a természetben nem létező tulajdonságú enzimekhez juthatnak.
Ez tényleg nem semmi.
Hogyan hatnak ránk a mesterséges enzimek?
Két területet vegyünk szemügyre:
az emberi egészséget és a környezetet.
Néhány gyógyszercég kutatói olyan enzimeken dolgoznak,
amelyekkel hatékonyabb
és kevesebb mérgező katalizátort tartalmazó gyógyszerek gyárthatók.
Példának említhetem a Januviát,
a 2. típusú cukorbaj kezelésére,
amely részben enzimekből készül.
Sokkal több gyógyszer készül majd enzimekkel a jövőben.
A másik terület:
egyes kórok esetében
a szervezetben lévő enzim hibásan működik.
Például ilyen a fenilketonuria,
rövidítve: a PKU.
A PKU-sok képtelenek lebontani a fenil-alanin aminosavat,
a korábban tárgyalt 20 aminosav egyikét.
A fenil-alanin felhalmozódás következménye
a visszafordíthatatlan idegrendszeri károsodás.
Elég ijesztő dolog.
A gyerekesek...
Kinek van gyereke önök közül?
Sokaknak.
Van, aki találkozott már a PKU-val,
mert az USA-ban minden csecsemőt megvizsgálnak PKU-ra.
Emlékszem, mikor Anthony fiam sarkából vért vettek.
Minden attól függ, mit eszünk.
Rengeteg élelmiszerben van fenil-alanin, roppant nehéz elkerülni.
Anthony mogyoróallergiás, azt gondoltam, ez nehéz ügy,
de a PKU ennél sokkal nehezebb ügy.
Az új enzimek nemsokára módot adnak a PKU-s pácienseknek,
hogy tetszésük szerint étkezzenek.
A gyógyszerhatóság nemrég hagyott jóvá egy PKU-orvosságot.
Ez jó hír a pácienseknek,
és összességében az
az enzimhelyettesítéssel gyógyítás területének,
mert a módszer más célokra is alkalmas.
Ennyit az egészségügyről.
Mi a helyzet a környezettel?
Mikor a csendes-óceáni nagy szemétszigetről olvasok,
ami óriási műanyagszigetre hasonlít,
valahol Kalifornia és Hawaii között,
és hogy minden tele van apró műanyagszemcsékkel,
ez engem elkeserít.
A műanyag nem tűnik el máról holnapra,
de az enzimek itt is segíthetnek.
Nemrég műanyaglebontó enzimeket gyártó baktériumokat fedeztek föl.
Már folyamatban van
fejlettebb változatuk kidolgozása.
Fölfedeztek olyan enzimeket is,
és jelenleg javítják őket,
amelyekből nem kőolaj-származékú, biológiailag lebomló műanyag készülhet.
Az enzimek az üvegházhatású gázok, pl. a CO₂, a metán és a dinitrogén-oxid
megkötésére is alkalmasak lehetnek.
Nincs kétségem, hogy ezek nagy feladatok,
és egyik sem könnyű.
De képesek vagyunk a jövőben ezekhez enzimeket használni,
ezért érdemes figyelmet fordítani rájuk.
De visszatérek a szemléltetéshez;
ez a dolog érdekes része.
Kezdjük a kimozinmintákkal.
Ezeket ide teszem.
Látjuk, hogy ebben a kémcsőben
víz volt,
és ezzel a tejjel semmi sem történt.
Ebben kimozin van.
Teljesen átlátszó lett.
Az alján ott a megalvadt tej, a sajt,
pár perc alatt sajtot készítettünk.
Ez ugyanaz a reakció,
mint amelyet az ember ezredévek óta alkalmaz.
Ezt szeretném bemutatni a "Gyerekek a munkában" foglalkozáson,
de a gyerekek igényesek, úgyhogy majd meglátjuk.
(Nevetés)
Itt a másik kémcső,
amelyben mosásenzim van.
A kémcső másként néz ki, mint amelyikbe vizet töltöttünk.
Ebben a folyadék átlátszóbb,
pont ez várható el a mosóenzimtől.
Hiszen olyan enzimre van szükségünk,
amely fehérje-zabagép, felfalja őket.
Ruhájukon mindenféle fehérjefoltok vannak,
pl. csokis tejtől vagy fűtől származók,
és az ilyen enzimmel ki lehet venni őket.
Ezért hideg vízben moshatunk,
csökkenthetjük a CO₂-lábnyomot,
és valamennyit megtakaríthatunk.
Áttekintettük
ezt a 7000 év hosszúságú időszakot a sajtban lévő enzimektől kezdve
a jelenleg kifejlesztés alatt álló legújabb enzimekig.
Most válaszút előtt állunk,
és az enzimeknek hála átírhatjuk azt, amit a természet megalkotott,
vagy kigondolhatjuk a magunk aminosav-változatát.
Ezért, mikor fülledt éjszaka majd az utcán járnak,
és szentjánosbogarat látnak,
jussanak eszükbe az enzimek!
Már ma is elképesztő dolgokat művelnek.
De tervezés révén holnap
még meglepőbbet művelhetnek.
Köszönöm.
(Taps)
위스콘신에서 자란 전, 바깥에서 많은 시간을 보냈습니다.
봄에는 라일락 꽃향기를 맡았죠.
여름에는 후덥지근한 밤에
날개를 펴고 날아다니는 반딧불이를 좋아했죠.
가을에는 늪에 새빨간 크렌베리 열매가 가득했습니다.
겨울의 풍경까지도 아름다웠죠.
소나무에 크리마스 장식용 꽃들이 막 피어나니까요.
저에게 자연은 항상 경이와 영감을 주었습니다.
몇 년이 지나고 제가 화학공학으로 학교를 졸업했을 때는,
자연 속에 있는 작은 분자에 대해 더 잘 이해할 수 있었습니다.
방금 제가 언급한 모든 것들,
라일락과 소나무의 향기
새빨간 크렌베리 열매 반딧불이의 불빛,
여기에는 최소한 한 가지 공통점이 있었습니다.
효소로 구성되어 있다는 사실이죠.
앞서 말했듯이, 저는 위스콘신 출신이라 치즈를 좋아하고
그린베이 패커스 팀을 응원합니다.
잠깐 치즈에 대해서 얘기해 보죠.
최소한 7,000년 전부터
인간은 효소를 채취해 왔습니다.
소와 양 그리고 염소의 젖으로부터
그리고 그걸로 우유를 만들었죠.
이렇게 하면 우유가 분리되는데 치즈를 만드는 과정 중에 하나죠.
이 혼합물에서 가장 중요한 효소는 키모신이라고 불립니다.
어떻게 작용하는지 보여드리죠.
바로 여기 두 개의 관이 있고,
이 관들 중 하나에 키모신을 넣을 겁니다.
잠깐만 기다려보세요.
제 아들 앤서니는 이제 여덟 살이 됐는데,
TED 강연에서 제가 시연할 것을 옆에서 도와주는 걸 정말 좋아합니다.
그래서 저희는 부엌에서 파인애플을 썰어서,
감자에서 효소를 추출해
부엌에서 온갖 종류의 실험들을 해봅니다.
그리고 그 결과,
저희는 키모신이 가장 괜찮은 것 같다고 생각했죠.
그래서 지금 이 안에 무슨 일이 벌어지고 있냐면
키모신이 우유 속을 돌아다니면서,
카세인이라는 단백질과 결합하고 있습니다.
그러곤 어떻게 되냐면 카세인을 잘라냅니다.
분자 가위처럼요.
이렇게 자르는 과정이 우유가 분리되는 과정입니다.
여기 부엌에서 저희가 하는 거 보이시죠.
이제 됐습니다.
이제 빨리 뚜껑을 덮습니다.
그런 다음 몇 분 동안 이렇게 옆으로 흔들어줍니다.
됐네요.
DNA가 인생의 청사진이라면
효소는 지시를 수행하는 노동자입니다.
효소는 단백질이며 촉매제입니다.
화학반응의 속도를 빠르게 하죠.
여기 이 키모신이 우유가 분리되는 걸 빠르게 하는 것처럼요.
하지만 치즈는 아닙니다.
효소가 저희가 먹는 치즈에 아주 중요한 역할을 하기도 하지만,
영유아의 건강에 관련된 것부터
환경 문제에 관한 문제까지도 포함돼 있죠.
오늘날 우리가 가진 효모에는요.
효소의 가장 기본적인 결합은 아미노산입니다.
20개의 기본 아미노산이 있습니다.
여기에서 저희는 한 글자씩 선택을 합니다.
그러면 정말로 알파벳으로 된 아미노산이 됩니다.
효소에서는 이러한 아미노산이 연결되어 있습니다.
꼭 진주 목걸이처럼 말이죠.
이것이 아미노산의 진짜 모습입니다.
그 목걸이에 걸린 글자가 무엇이고,
어떤 식으로 걸려있고, 철자가 무엇이고,
이런 것들이 효소가 다른 효소와 구별될 수 있는 차이점을 부여합니다.
이런 아미노산 줄이,
이 목걸이가,
더 고차원의 구조를 만들어냅니다.
분자단위로 확대해서
여기에서 작용하고 있는 효소, 카모신을 들여다보면
바로 이렇게 되어 있는 것을 볼 수 있습니다.
각각의 줄, 고리들과 나선들이 서로 얽혀서
이런 형태로 작동을 제대로 하기 위해 고군분투 하고 있습니다.
오늘날에는 미생물에서 효소를 발생시킬 수 있죠.
이렇게 만들어진 예시들이 박테리아나 효모입니다.
이렇게 함으로써 저희가 관심갖고 있는
효소의 DNA 일부분을 얻어,
그걸 미생물에 주입합니다.
그러면 저희는 그 미생물이 자체적으로 작용과 생산을 해
저희에게 필요한 효소를 만들어내게 둡니다.
그러니까 오늘날에는 키모신을 얻고 싶다면, 소는 필요 없습니다.
미생물에서 발효시킬 수 있으니까요.
그리고 더 끝내주는 사실은요,
이제 저희는 DNA 배열을 완전히 마음대로 조정할 수 있습니다.
저희가 원하는 효소를 얻기 위해서요.
자연에서 얻을 수 없는 그런 효소들을 얻기 위해.
저는, 이게 정말로 재밌는 부분인데
효소를 발효시키기 위해 새로운 방법을 찾아냈습니다.
원자를 그렇게 배열하는 것이죠.
자연에서 효소를 발효시키는 것과 아미노산을 가지고 놀면서
이러한 글자들로 어설프게
어떤 글자는 넣어보고, 어떤 글자는 빼보고,
또 다시 재배열해보고,
이런 건 책을 찾아서
몇몇 챕터를 다시 쓰거나 결말을 바꾸는 것과 비슷합니다.
2018년 노벨화학상 수상자가
이런 식의 접근 방법을 개발해냈습니다.
직접 진화라고 알려져 있죠.
저희는 직접 진화를 이용할 수 있습니다.
효소를 각각의 목적에 알맞게 바꿔서요.
이런 것 중 하나는 만들어진 효소를 새로운 분야에 적용하는 것도 있습니다.
세탁처럼 말이죠.
여러분의 몸 속에 있는 효소가
여러분이 먹은 음식을 잘 소화시킬 수 있게 해주는 것처럼
세탁세제 속의 효소도
옷에 묻은 얼룩을 쉽게 지울 수 있게 해줍니다.
90% 정도 되는 에너지가
빨래가 돌아가기 전
물을 따뜻하게 할 때 쓰인다고 합니다.
이건 타당해 보입니다.
따뜻한 물이 옷을 깨끗하게 해주긴 하니까요.
하지만 대신 차가운 물로 세탁을 할 수 있다면요?
그러면 돈도 절약할 수 있고,
그리고 더 나아가서
프록터 앤드 갬블의 통계에 따르면
미국에 있는 모든 가정집이 차가운 물로 세탁을 한다면
이산화탄소 배출량을 일년에 32톤을 줄일 수 있습니다.
이건 엄청난 양이죠.
그 양은 6천 3백만 대의 차량이
배출하는 양과 같아요.
그렇다면 저희는 어떠한 방법으로
효소가 이런 변화들을 인지할 수 있게 할까요?
효소가 더러운 세탁물을 깨끗하게 하려고 진화하진 않죠.
하물며 차가운 물이라도요.
하지만 자연에 가면, 출발점은 찾을 수 있습니다.
자연에서 활발하게 활동을 시작한 효소를 찾을 수 있어요.
진흙들로 말이죠.
여기 화면에 띄운 효소는 바로 그러한 예 중 하나입니다.
제가 앞서 말했듯이 이러한 아미노산으로 노는 겁니다.
글자를 넣어도 보고, 글자를 빼보기도 하고,
다시 재배열 해보기도 하죠.
이렇게 해서, 저희는 수천 개의 효소를 발생시킵니다.
그래서 이러한 효소들을 가져다
이러한 작은 접시에 시험을 해보는 거죠.
제가 들고 있는 이 접시에는
96개의 칸막이가 있고,
각각의 칸막이에 붙어있는 천에는 얼룩이 묻어있어요.
저희는 이러한 효소들이 천에 묻은 이러한 얼룩들을
얼마나 잘 처리할 수 있는지를 실험해 볼 겁니다.
그렇게 하면 이게 얼마나 잘 되는지 볼 수 있겠죠.
로봇을 이용할 수도 있습니다.
방금 전 화면에서 보신 것처럼요.
좋아요. 저희는 이 실험을 해봤고,
그 결과 이 중 몇몇 효소들이 어떻게 효소들을 만들어내는지
대략적으로 파악이 됐습니다.
인상적인 결과는 아니었죠.
더 나빠진 것도 있었고, 이건 제거했습니다.
몇 개는 더 좋아졌습니다.
더 나아진 건 버전 1.0이었죠.
저희는 이러한 효소들을 이용해 성공할 수 있겠다 싶었고,
이러한 순환을 반복하고 또 반복했습니다.
이러한 순환을 반복하니 새로운 효소가 만들어졌습니다.
저희가 원하는 바로 그 효소를요.
이러한 순환을 몇 번 더 거치니,
뭔가 새로운 것이 탄생했습니다.
그러니까 오늘 슈퍼마켓에 가신다면, 차가운 물로 세탁할 수 있는
세탁세제를 살 수 있을 거예요. 여기 이러한 효소 덕분에 말이죠.
이 효소도 어떻게 작용하는지 보여드리죠.
여기 관이 두 개 더 있는데,
여기에도 똑같이 우유가 들어있습니다.
이제 보여드릴게요.
제가 지금 하나에 이 효소를 넣었습니다.
그리고 또 다른 하나에는 물을 더 추가했죠.
여기는 통제되어 있기 때문에,
이 관에서는 아무 일도 일어나지 않습니다.
제가 왜 우유로 이러는지 궁금하실 텐데요.
제가 우유로 하는 이유는
바로 우유에 단백질이 포함되어 있기 때문입니다.
그래서 이 효소가 단백질 용액과 어떤 작용을 하는지 보는 게 매우 쉽습니다.
왜냐하면 이건 단백질 자르기의 마스터거든요.
하는 일이 그거니까요.
이걸 여기에 넣습니다.
제가 이건 단백질 자르기의 마스터라고 했죠.
이 우유에서 일어나는 일로 세탁물에서 무슨 일이 일어나게 될지
추측할 수 있습니다.
무슨 일이 일어나는지 눈으로 보여주는 거죠.
좋아요. 두 관에 다 들어갔습니다.
그리고 재빨리 뚜껑을 덮어줍니다.
키모신 샘플 옆에 놔두고
강의를 다 끝내고 다시 여기에 와 보죠.
효소가 이렇게 빨리 생길 수 있냐고요?
물론이죠, 엄청 빨리 생깁니다.
지금 보여준 방법이 효소를 발생시킬 때
연구원들이 제가 방금 여러분께 보여준 샘플보다
훨씬 더 많은 샘플로 하는 방법입니다.
효소를 자연발생시키려고 한다면,
저희가 지금까지 얘기했던 것처럼,
몇몇 과학자들이 효소를 발생시키기 위해 스크래치,
다양한 기계나, 인공지능을 이용해
효소를 발생시키려 합니다.
반면에 또 다른 몇몇은 변형 된 아미노산을 혼합물에 섞습니다.
저희가 얘기를 나눈 20개의 아미노산은
순수한 형태의 아미노산이며,
변형 된 아미노산을 넣기 전이고,
이러한 것을 효소와 섞으면 자연에서 볼 수 없는 걸 탄생시킵니다.
엄청나게 발전된 분야죠.
효소를 발생시키는 기술이 몇 년 후에 어떤 영향을 끼칠까요?
전 두 가지 분야를 말하고 싶습니다.
건강과 환경이죠.
몇몇 제약회사들은
벌써부터 효소를 발생시키는 일에만 헌신하는 팀들이 있어
더 효과적이고 독성 또한 약한 약을 개발하고 있습니다.
예를 들자면, 시타클립틴이 있죠.
2형 당뇨를 치료하기 위한 이 약은,
일정 부분이 효소로 만들어졌습니다.
효소로 만들어진 이런 약물은 점점 더 많아질 거라고 확신할 수 있습니다.
다른 분야에선
몸속에 있는 효소가 잘 작동하지 않아 생기는
몇몇 질병들을 예로 들 수 있죠.
그 예가 바로 페닐케뇨증이라는 병입니다.
아니면 줄여서 PKU라고 하죠.
PKU를 앓는 사람들은 소화를 제대로 시키지 못하거나,
저희가 얘기했던 20개의 아미노산 중 하나인 페닐알라닌을 소화시키지 못합니다.
페닐알라닌을 소화시키지 못하면
영구적인 지능 발달 장애를 겪게 되죠.
꽤 무서운 결과입니다.
아이가 있으신 분?
아이가 있으신 분 계세요, 여기?
많군요.
그러면 PKU는 아마 익숙하실 겁니다.
왜냐하면 미국에 있는 모든 아기들은 PKU 검사를 하니까요.
제 아들 앤서니가 피 검사를 받았던 것이 기억나네요.
가장 큰 문제는 뭘 먹어야 하느냐?
수많은 음식에 페닐알라닌이 들어있어서, 피하기가 거의 불가능합니다.
앤서니는 땅콩 알러지가 있어서, 그것도 꽤 힘들다고 생각했는데,
PKU는 또 다른 차원입니다.
하지만 새로운 효소는 PKU환자들에게
먹고 싶은 건 무엇이든 먹을 수 있게 해줄 겁니다.
최근에, FDA가 PKU 치료약을 허가해줬거든요.
환자들에게도 엄청나게 좋은 소식이지만
사실은 효소 보충 요법을 연구하는 이들에게는
엄청난 소식이죠.
왜냐하면 이런 좋은 치료법을 적용할 수 있는 대상은 더 많으니까요.
여기까지가 건강에 관한 거였습니다.
환경으로 주제를 옮겨보죠.
태평양의 거대 쓰레기 지대에 관해 읽었을 때
이 섬이 거대한 플라스틱처럼 느껴졌어요.
캘리포니아와 하와이사이 어딘가에 있는
곳곳에 있는 미세플라스틱들에 관해 말이죠
그건 기분 좋은 일이 아닙니다
플라스틱은 금방 사라지지 않습니다.
하지만 효소는 이러한 지역에 도움을 줄 수도 있을 거예요.
최근에, 플라스틱을 분해하는 박테리아를 발견했어요.
이러한 효소의 성능을 개선하기 위한
물밑 작업이 이미 시작됐죠.
동시에, 이렇게 발견한 효소들을
최적의 상태로 만들어서
석유 원료가 아닌 생분해성 플라스틱의 재료로 만드는 방법이 개발되었습니다.
효소는 또 온실가스를 잡는데 도움이 될 수도 있어요.
예를 들면 이산화탄소, 메탄, 이산화질소 등이 있죠.
이것들이 엄청난 문제라는데는 이견이 없을 겁니다.
쉬운 건 하나도 없죠.
하지만 효소를 이용하면 미래에 도움이 될 겁니다.
저는 그건 또 다른 영역이라고 생각해요.
그럼 이제 샘플로 돌아가 볼까요.
여기가 재밌는 부분입니다.
키모신 샘플부터 살펴볼 건데요.
이걸 여기로 가져올게요.
지금 보시는 것이
물을 담아놓은 관입니다.
그러니까 이 우유에서는 아무 일도 일어나지 않았겠죠.
키모신을 넣은 관입니다.
완전히 깨끗해진 것이 보이죠.
완전히 다 분리된 이게 바로 치즈예요.
저희가 지난 몇분 동안 치즈를 만든 겁니다.
이러한 행동이
수천 년 동안 인류가 해왔던 행동입니다.
다음 번 진로박람회 때 해봐야겠어요.
하지만 관람객들이 꽤 거칠 겁니다. 알게 되겠죠.
(웃음)
그 다음에 제가 보고 싶은 관은 바로 이 관입니다.
세탁할 때 사용할 효소예요.
물을 추가한 것과 다른 점을 볼 수 있을 겁니다.
일종의 정화죠.
이게 바로 여러분이 세탁할 때 원하는 거죠.
왜냐하면 여러분은 효소가
단백질을 빨아들이는 껌이 되어, 다 닦아내길 바라니까요.
왜냐하면 여러분은 옷에 각각 다른 단백질들을 묻힐 건데,
초콜릿 우유나 녹색 얼룩 같은 거요.
게다가 이런 건 여러분이 옷을 벗을 때도 도움이 되고요.
그리고 또한 차가운 물로
세탁할 수 있게 해서, 탄소 사용량을 줄이고
돈을 절약해주죠.
저희는 꽤 긴 길을 걸어왔습니다.
7,000년 전부터 전해져 내려온 치즈를 만드는 방법부터
현대의 효소발생법까지.
저희는 정말 창의적인 크로스퍼즐을 했어요.
효소를 이용해서 자연에서 뭘 만들어낼 수 있는지
아니면 아미노산으로 저희만의 이야기를 써내려갔죠.
다음 번 여러분이 후덥지근한 밤에 바깥에 나간다면
반딧불이를 볼 겁니다.
그때 효소를 생각해주면 좋겠어요.
오늘날 우리에게 놀라운 것들을 하게 해주니까요.
효소를 만들면,
내일은 더 놀라운 것들을 할 수 있게 되겠죠.
감사합니다.
(박수)
Opgroeiend in centraal Wisconsin bracht ik veel tijd buiten door.
In de lente rook ik de bedwelmende geur van seringen.
In de zomer was ik weg van de elektrische gloed van vuurvliegjes
die rondvlogen in de zwoele nachten.
In de herfst kleurden de moerassen helder rood door de veenbessen.
Zelfs de winter had zijn charmes
door het Kerstmisboeket van de dennenbomen.
Voor mij was de natuur altijd een bron voor verwondering en inspiratie.
Later, toen ik chemie studeerde aan de universiteit,
begon ik de natuur beter te begrijpen tot in de moleculaire details.
Alles waarover ik zonet sprak,
van de geuren van de seringen en dennen
tot het heldere rood van de bessen en de gloed van vuurvliegjes,
hebben ten minste één ding gemeen:
ze worden gemaakt door enzymen.
Zoals gezegd groeide ik op in Wisconsin, dus houd ik van kaas
en de Green Bay Packers.
Maar laten we het even hebben over kaas.
Gedurende tenminste 7000 jaar
extraheren mensen al een mengsel van enzymen
uit de magen van koeien, schapen en geiten
en voegen ze toe aan melk.
Hierdoor stremt de melk -- een onderdeel van het kaasmaken.
Het sleutel-enzym in dit mengsel is chymosine.
Ik wil jullie tonen hoe dat gaat.
Hier heb ik twee buizen,
aan één ervan voeg ik chymosine toe.
Ogenblikje.
Nu was mijn zoon Anthony, 8 jaar oud,
zeer geïnteresseerd om me deze demo voor TED te helpen maken,
en zo waren we in de keuken bezig met ananas in schijven te snijden,
enzymen te halen uit rode aardappelen
en het doen van allerlei demo's in de keuken.
Alles bij elkaar
vonden we de chymosinedemo erg geslaagd.
En zo zien jullie hier
het chymosine rondzwemmen in de melk
en zich aan het proteïne caseïne binden.
Dan gaat het het caseïne doorknippen --
een beetje als een moleculaire schaar.
Dat knippen veroorzaakt het stremmen van de melk.
Hier zie je ons in de keuken eraan bezig.
OK.
Even omschudden.
En dan zetten we ze even opzij om ze een minuut te laten sudderen.
OK.
Als DNA de blauwdruk van het leven is,
dan zijn enzymen arbeiders die de instructies uitvoeren.
Een enzym is een proteïne als katalysator,
het versnelt een chemische reactie,
net zoals chymosine hier het stremmen van de melk versnelt.
Maar het gaat niet alleen om kaas.
Enzymen spelen een belangrijke rol in het voedsel dat we eten,
maar ze zijn ook betrokken in allerlei, gaande van de gezondheid van een kind
tot het aanpakken van de grootste milieuproblemen van vandaag.
De bouwstenen van de enzymen zijn de aminozuren.
Er zijn 20 gewone aminozuren
en we geven ze weer met een letter als afkorting,
een alfabet van aminozuren dus.
In een enzym zijn deze aminozuren aan elkaar geregen
als parels aan een halssnoer.
En het is de identiteit van de aminozuren,
welke letters in het snoer,
en in welke volgorde, wat ze uitspellen,
dat het enzym zijn unieke eigenschappen geeft
en het onderscheidt van de andere enzymen.
Nu gaat dit snoer van aminozuren, dit halssnoer,
zich opvouwen tot een structuur van hogere orde.
Als je zou inzoomen naar moleculair niveau,
dan zou chymosine, het enzym hier,
er zo uitzien.
Een hoop strengen, lussen, spiralen, plooien en draaien,
en alles moet in de juiste vorm om te kunnen werken.
Vandaag kunnen we enzymen maken in microben,
zoals in een bacterie of een gist, bij voorbeeld.
En we doen dat door een stuk DNA te nemen
dat codeert voor een enzym waarin we geïnteresseerd zijn,
we steken dat in de microbe
en we laten de microbe haar eigen machinerie, haar eigen middelen gebruiken
om dat enzym voor ons te produceren.
Je hebt dus voor chymosine vandaag geen kalf meer nodig --
je kan het krijgen van een microbe.
En nog cooler is
dat we er vandaag volledig gewilde DNA-sequenties kunnen indraaien
om enzymen naar keuze te maken,
zaken die je niet vindt in de natuur.
Helemaal leuk vind ik
een enzym ontwerpen voor een nieuwe toepassing,
door de atomen zo te rangschikken.
De daad van een enzym uit de natuur halen en spelen met de aminozuren,
knutselen met die letters,
nieuwe letters erin brengen en andere eruit halen,
misschien ze wat herschikken,
is als een boek vinden
en wat hoofdstukken herschrijven of het einde veranderen.
In 2018 werd de Nobelprijs voor chemie
toegekend aan de ontwikkeling van deze benadering,
ook bekend als 'gerichte evolutie'.
Vandaag kunnen we de krachten van gerichte evolutie aan het werk zetten
om enzymen met een bepaalde bedoeling te ontwerpen
en een van deze is enzymen te ontwerpen met toepassingen op nieuwe gebieden,
zoals de was doen.
Net zoals de enzymen in je lichaam
je helpen om je opgegeten voedsel af te breken,
kunnen enzymen in je wasdetergent
helpen om de vlekken op je kleren af te breken.
Het blijkt dat 90% van de energie voor het wassen
gaat naar het verwarmen van het water.
Voor een goede reden --
warmer water wast beter je kleren.
Maar wat als je nu eens in koud water kon wassen?
Je zou zeker wat geld besparen
en daarbij,
volgens berekeningen van Procter and Gamble,
als alle huishoudens in de VS de was koud zouden doen,
zou dat de uitstoot van 32 [miljoen] ton CO2 per jaar vermijden.
Dat is veel,
ongeveer het equivalent
van de CO2-uitstoot door 6,3 miljoen auto's.
Hoe zouden we het nu moeten aanpakken
om een enzym te ontwerpen dat dit kan?
Enzymen evolueerden niet om de was schoon te krijgen
en zeker niet in koud water.
Maar we kunnen gaan kijken in de natuur om een startpunt te vinden.
We kunnen een enzym zoeken met enige startactiviteit,
een klei waarmee we kunnen werken.
Op het scherm zie je een voorbeeld van een dergelijk enzym.
We kunnen nu gaan spelen met de aminozuren, zoals ik zei,
wat letters toevoegen, wat letters eruit halen.
ze herschikken.
En zodoende kunnen we duizenden enzymen genereren.
En we kunnen die enzymen
uittesten op dit soort kleine plaatjes.
Dit plaatje hier
bevat 96 vakjes
en is elk vakje zit een stukje stof met een vlek.
En we meten hoe goed elk van deze enzymen
de vlekken van de stof kunnen verwijderen
en zo kunnen we zien hoe goed ze werken.
We kunnen dat met behulp van robots
zoals jullie dadelijk op het scherm gaan zien.
OK, we doen dat en het blijkt
dat sommige enzymen gelijkaardig werken
als het start-enzym.
Niets om over naar huis te schrijven.
Sommige doen het slechter. Die gooien we weg.
En sommige zijn beter.
Die verbeterde worden onze versies 1.0's.
Met die enzymen gaan we verder
en dat kunnen we telkens opnieuw herhalen.
Door deze herhaling kunnen we een nieuw enzym vinden,
eentje dat doet wat we willen.
En na een aantal herhalingen
kwamen we met iets nieuws.
Je kan nu naar de supermarkt gaan en een detergent kopen
waarmee je de was koud kunt doen door dergelijke enzymen.
Ik toon jullie ook hoe dit werkt.
Ik heb hier weer twee buizen,
weer allebei met melk.
Ik toon het even.
Aan een buis voeg ik wat enzym toe
en aan de ander wat water.
Dat is de controle.
In die buis zou er niets mogen gebeuren.
Misschien vinden jullie het eigenaardig dat ik dit doe met melk.
Ik doe dit omdat melk tjokvol proteïnen zit
en in een proteïne-oplossing kan je de enzymwerking makkelijk waarnemen
omdat het een meester proteïne-hakker is,
dat is zijn taak.
Ik doe dit erin.
Zoals gezegd is dit een meester proteïne-hakker
en je kan wat hij doet met melk
extrapoleren naar wat hij zou doen met je was.
Dit laat dus een beetje zien wat er zou gebeuren.
OK, ze zitten erin.
Even omschudden.
We laten ze nu even rusten samen met het chymosinestaaltje.
Ik kom er straks op terug.
Waar kijken we naar uit bij het enzymonderzoek?
Het zal zeker sneller gaan --
er zijn nu benaderingen om enzymen te evolueren
die onderzoekers toelaten om met veel meer staaltjes te werken
dan ik jullie net toonde.
En naast het sleutelen aan natuurlijke enzymen,
zoals waar we net over spraken,
proberen wetenschappers nu totaal nieuwe enzymen te ontwerpen,
met machinaal leren, een benadering vanuit artificiële intelligentie,
om ze gerichter te ontwerpen.
Anderen voegen andere aminozuren toe dan in de natuur voorkomen.
We spraken eerder over 20 natuurlijke aminozuren --
de gewone aminozuren --
maar zij voegen onnatuurlijke aminozuren toe
om enzymen te maken met andere eigenschappen dan we vinden in de natuur.
Dat is een erg leuk idee.
Hoe zullen jullie in de komende jaren te maken krijgen met enzymen?
Ik wil focussen op twee gebieden:
gezondheid en milieu.
Sommige farmaceutische firma's
leggen zich toe op het ontwikkelen van enzymen
om geneesmiddelen efficiënter en met minder toxische katalysatoren te maken.
Zo wordt bijvoorbeeld Januvia, een medicijn voor type 2 diabetes,
gedeeltelijk met enzymen gemaakt.
Het aantal met enzymen gemaakte medicijnen
zal in de toekomst zeker toenemen.
Op een ander gebied
zijn er bepaalde ziektes
waarbij een enkel enzym in iemands lichaam niet naar behoren werkt.
Een voorbeeld hiervan is fenylketonurie,
of PKU afgekort.
Mensen met PKU kunnen fenylalanine niet goed metaboliseren of verteren.
Dat is een van de 20 aminozuren waar we het over hadden.
Als mensen met PKU fenyalanine opnemen,
krijgen ze blijvende intellectuele gebreken,
een vreselijk iets om te hebben.
Wie van jullie met kinderen --
Hebben jullie kinderen? Wie heeft er kinderen?
Een hoop.
Misschien ken je PKU wel,
want alle baby's in de VS moeten er op getest worden.
Ik herinner me dat Anthony, mijn zoon, ervoor geprikt werd.
Het grote probleem is wat je eet.
Fenylalanine zit in zoveel soorten voedsel,
het is ongelooflijk moeilijk te vermijden.
Anthony heeft wel een notenallergie, en ik vond dat al erg,
maar PKU is van een ander niveau.
Maar nieuwe enzymen kunnen binnenkort PKU-patiënten
laten eten wat ze willen.
Onlangs keurde het FDA een enzym goed
dat ontwikkeld werd om PKU te behandelen.
Dat is geweldig nieuws voor patiënten en ook geweldig nieuws
op het gebied van enzym vervangende therapie in het algemeen,
omdat er nog andere doelen zijn waarvoor dit goed zou kunnen dienen.
Dat ging even over gezondheid.
Nu ga ik het hebben over milieu.
Als ik wat lees over de Plasticsoep in de Noordelijke Grote Oceaan --
dat is dat enorme eiland van plastic
ergens tussen Californië en Hawaï --
en over die microplastics overal,
dan maak ik me zorgen.
Plastics zijn we voorlopig nog niet kwijt.
Maar ook hier kunnen enzymen ons misschien helpen.
Onlangs hebben we bacteriën ontdekt die plastic afbrekende enzymen produceren.
Er worden al inspanningen gedaan
om verbeterde versies van deze enzymen te ontwikkelen.
Ook werden er enzymen ontdekt
die geoptimaliseerd worden
om niet van petroleum afkomstige, biodegadeerbare plastics te maken.
Enzymen kunnen ook helpen bij het invangen van broeikasgassen
als kooldioxide, methaan en lachgas.
Nu zijn dat ongetwijfeld enorme uitdagingen,
en geen ervan is makkelijk.
Maar onze vaardigheid om enzymen aan te passen
kan ons daarbij gaan helpen.
Daar mogen we dus ook naar uitkijken.
Nu keer ik even terug naar de demo --
het plezante deel.
We beginnen met de chymosine staaltjes.
Ik haal ze er even bij.
Zoals jullie kunnen zien,
is dit degene die er water bij kreeg.
Met deze melk zou er niets mogen gebeuren.
Deze kreeg het chymosine.
Jullie zien dat het van boven helemaal opklaarde.
Daar zie je het gestremde materiaal, da's kaas.
We hebben dus even kaas gemaakt.
Deze reactie voeren mensen al duizenden jaren uit.
Ik denk eraan om dit te gaan doen bij onze volgende Kids to Work Day demo,
maar het is soms een harde bende -- we zien wel.
(Gelach)
De andere waar ik wil naar kijken is deze.
Dit is het enzym om de was te doen.
Je ziet dat het anders is dan die waar we water bij deden.
Het is aan het opklaren,
en precies dat wil je dat een enzym doet met je was,
want je wil een enzym hebben
dat een proteïne-knabbelaar is, ze opeet,
omdat je vlekken van verschillende proteïnes op je kleren gaat hebben,
zoals van chocolademelk, grasvlekken, enzovoort.
Met iets als dit ga je ze eruit krijgen.
Dit gaat je ook helpen
om de was in koud water te doen, je koolstofvoetafdruk te verkleinen
en wat geld te besparen.
We komen van ver
van 7000 jaar lang kaas maken met enzymen
tot vandaag en enzymontwerp.
We zitten echt op een keerpunt.
We kunnen enzymen uit de natuur herschrijven
of ons eigen verhaal schrijven met aminozuren.
Als je op een broeierige nacht buiten nog eens een vuurvliegje ziet,
hoop ik dat je aan enzymen denkt.
Ze doen vandaag al verbazingwekkende dingen voor ons.
En door ontwerp kunnen ze morgen voor ons nog verbazingwekkender dingen gaan doen.
Dank.
(Applaus)
Tendo crescido no Wisconsin, passava muito tempo ao ar livre.
Na primavera, sentia o aroma inebriante da fragância dos lilases.
No verão, adorava o brilho elétrico dos pirilampos
a voarem em círculos nas noites abafadas.
No outono, os pântanos resplandeciam com o vermelho vivo dos arandos.
Até o inverno tinha o seu encanto,
com o ramo natalício dos pinheiros.
A Natureza sempre foi uma fonte de admiração e inspiração.
Quando fui para a faculdade estudar química, e nos anos seguintes,
comecei a compreender melhor o mundo natural no pormenor molecular.
Tudo o que acabei de referir,
dos aromas a lilases e pinheiros
ao vermelho vivo dos arandos e ao brilho dos pirilampos,
têm pelo menos uma coisa em comum:
são produzidos por enzimas.
Como disse, cresci no Wisconsin, por isso, gosto de queijo
e dos Green Bay Packers.
Mas falemos de queijo por um minuto.
Pelo menos nos últimos 7000 anos,
que os humanos têm extraído uma mistura de enzimas
dos estômagos das vacas, das ovelhas e das cabras
e adicionaram-nas ao leite.
Isto faz o leite coalhar e faz parte do processo de fazer queijo.
A enzima chave desta mistura chama-se quimosina.
Vou mostrar-vos como funciona.
Aqui, tenho dois tubos.
e vou adicionar quimosina a um deles.
Só um segundo.
Agora o meu filho Anthony, que tem oito anos,
queria muito ajudar a criar uma experiência para a TED Talk,
e, então, nós estávamos na cozinha a cortar fatias de ananases,
a extrair enzimas de batatas vermelhas
e a fazer todo o tipo de experiências na cozinha.
Mas, por fim, achámos que a experiência da quimosina era muito fixe.
E então, o que acontece aqui
é que a quimosina está-se a misturar com o leite,
e está a ligar-se a uma proteína chamada caseína.
O que faz a seguir é cortar a caseína
— é como uma tesoura molecular.
É essa ação de separação que leva o leite a coalhar.
Aqui somos nós na cozinha a trabalhar nisto.
OK.
Vamos fechar isto.
Vamos pôr estes de lado e vamos deixar estes fervilhar um minuto.
OK.
Se o ADN é o manual da vida,
as enzimas são os operários que executam as suas instruções.
Uma enzima é uma proteína catalisadora,
apressa ou acelera uma reação química,
tal como a quimosina aqui está a acelerar o coalhar do leite.
Mas não se trata apenas de queijo.
Além de terem uma função importante nos nossos alimentos,
as enzimas também têm um papel em tudo,
desde a saúde de uma criança,
ao ataque aos maiores desafios ambientais
que temos hoje.
Os blocos de construção das enzimas chamam-se aminoácidos.
Há vinte aminoácidos comuns,
e normalmente designamo-los com abreviaturas de uma letra,
por isso há um alfabeto de aminoácidos
Numa enzima, estes aminoácidos estão ligados,
como pérolas num colar.
E é a identidade dos aminoácidos
que lhes atribui as letras no colar,
a ordem em que estão, o que soletram,
dando à enzima propriedades únicas e diferenciando-a das outras enzimas.
Esta cadeia de aminoácidos — este colar —
desdobra-se numa estrutura de ordem superior
E se nos aproximarmos do nível molecular
e olharmos para a quimosina, a enzima que temos aqui,
verão que tem este aspeto.
São todos estes cordões, laços, hélices e nós e voltas,
e tem de ter esta estrutura para funcionar adequadamente.
Atualmente, podemos fazer enzimas em micróbios,
podendo ser numa bactéria ou numa levedura, por exemplo.
E a maneira de o fazermos é pegar numa parte de ADN
que tem o código da enzima que nos interessa,
introduzimo-lo nesse micróbio,
e deixamos o micróbio usar a sua própria maquinaria, os seus meios,
para produzir a enzima.
Hoje, se queremos quimosina, já não precisamos de um vitelo
— conseguimo-la a partir de um micróbio.
E o que é ainda melhor
é que podemos escolher sequências de ADN específicos
para fazer todas as enzimas que quisermos,
coisas que não existem na Natureza.
Acho que a parte mais divertida
é tentar desenhar uma enzima para uma nova aplicação,
organizar os átomos, só isso.
O ato de tirar uma enzima da Natureza e brincar com esses aminoácidos,
mexendo nas letras,
adicionando umas, tirando outras,
talvez reorganizando um pouco,
é um pouco como encontrar um livro,
e editar alguns capítulos ou mudar o final.
Em 2018, o prémio Nobel da química
foi atribuído ao desenvolvimento desta abordagem,
que é agora conhecida como evolução dirigida.
Atualmente podemos aproveitar os poderes da evolução dirigida
para conceber enzimas com fins específicos,
e um deles é conceber enzimas para aplicação em novas áreas,
como a lavandaria.
Tal como as enzimas no nosso corpo
podem ajudar a digerir os alimentos que comemos,
as enzimas no detergente da roupa
podem ajudar a eliminar as manchas na roupa.
Acontece que 90% da energia usada na lavagem
é para aquecer a água.
E essa é uma boa razão
porque a água mais quente ajuda a limpar a roupa.
Mas, e se conseguíssemos lavar a roupa em água fria?
Certamente íamos poupar algum dinheiro,
e além disso,
de acordo com alguns cálculos feitos pela Procter and Gamble,
se todas as casas no EUA lavassem a roupa com água fria,
pouparíamos 32 toneladas de emissões de CO2 por ano.
É imenso, é mais ou menos o equivalente
ao dióxido de carbono emitido por 6,3 milhões de carros
Então, como vamos conceber uma enzima
para concretizar estas mudanças?
As enzimas não se desenvolveram para limpar a roupa suja,
muito menos em água fria.
Mas podemos ir à Natureza e encontrar um ponto de partida.
Podemos encontrar uma enzima com alguma atividade inicial,
algum barro com que possamos trabalhar.
Este é um exemplo de uma tal enzima, aqui no ecrã.
E podemos começar a brincar com esses aminoácidos, como referi,
adicionando e tirando letras,
reorganizando-as.
E ao fazê-lo, podemos gerar milhares de enzimas.
E podemos pegar nessas enzimas,
e testá-las em pequenas placas como estas.
Então, a placa que tenho nas mãos
contém 96 orifícios
Em cada orifício há um pedaço de tecido com uma nódoa.
E podemos medir como cada enzima
consegue remover as nódoas destes tecidos,
e desse modo ver quão bem funciona.
E podemos fazê-lo usando a robótica,
tal como vão ver a seguir no ecrã.
OK, fazemos isto e acontece que
algumas das enzimas são uma espécie de aproximação da enzima inicial.
Nada de extraordinário.
Algumas são piores e eliminamo-las.
E depois há algumas melhores.
Essas melhores tornam-se a versão 1.0.
Essas são as enzimas que podemos desenvolver,
e podemos repetir este ciclo vezes sem conta.
É a repetição deste ciclo que nos leva a uma nova enzima,
uma enzima que faça o que queremos.
E depois de vários destes ciclos, conseguimos algo novo.
Então, podem ir hoje a um supermercado e comprar um detergente de roupa
que permite lavar com água fria pois contém enzimas como esta aqui.
E quero mostrar-vos como isto funciona também.
Tenho aqui mais dois tubos,
e ambos têm novamente leite.
Vou-vos mostrar,
vou adicionar esta enzima a um tubo
e outro tubo onde vou adicionar água.
Este é o tubo de controlo,
por isso nada deve acontecer nele.
Devem achar curioso que eu faça isto com leite.
Mas a razão para eu fazer isto
é porque o leite está cheio de proteínas,
e é muito fácil ver esta enzima a funcionar numa solução proteica,
porque é mestre a cortar as proteínas,
é a sua função
Vamos pôr isto aqui.
Como referi, é mestre a cortar proteínas
e o que podemos fazer é extrapolar o que faz neste leite
para o que faria na vossa roupa suja.
Por isso, isto é uma forma de visualizar o que iria acontecer.
OK, ambos entraram.
E agora vou fechar este e este também.
OK, vamos deixar este aqui com a amostra de quimosina,
e voltaremos a estes mais perto do fim.
Bom, o que há no horizonte da criação de enzimas?
Certamente, vai ser mais rápido.
Há agora abordagens para desenvolver enzimas
que permitem aos investigadores ter muito mais amostras
além do que acabo de vos mostrar.
E além de usarem enzimas naturais,
como estamos a fazer,
alguns cientistas tentam agora criar enzimas do zero,
usando a aprendizagem automática, uma abordagem da inteligência artificial,
para conceber as enzimas.
Há outros que estão a adicionar aminoácidos não naturais à mistura.
Estivemos a falar de 20 aminoácidos naturais,
os aminoácidos comuns.
Eles adicionam aminoácidos artificiais
para fazerem enzimas com propriedades diferentes do que existe na Natureza.
É uma área muito clara.
Como é que as enzimas artificiais nos vão afetar nos próximos anos?
Bem, vou-me focar em duas áreas:
a saúde humana e o ambiente.
Algumas empresas farmacêuticas
têm hoje equipas dedicadas a conceber enzimas
para fazer medicamentos mais eficientes e com menos catalisadores tóxicos.
Por exemplo, o Januvia,
que é um medicamento para tratar a diabetes tipo 2,
é parcialmente feito de enzimas.
O número de medicamentos feitos com enzimas vai aumentar.
Noutra área,
há algumas doenças
em que uma única enzima não funciona bem no corpo de alguém.
Um exemplo é a fenilcetonúria,
ou abreviado PKU.
Pessoas com PKU não metabolizam ou digerem bem a fenilalanina,
que é um dos 20 aminoácidos comuns de que temos falado.
A consequência de ingerir fenilalanina para as pessoas com PKU
é que sofrem de deficiências intelectuais permanentes,
por isso é algo assustador para se ter.
Aqueles que têm filhos...
alguém aqui tem filhos?
Muitos de vocês.
Podem estar familiarizados com a PKU,
porque todas as crianças nos EUA têm de fazer o teste da PKU.
Lembro-me de quando o meu filho, fez o teste do pezinho.
O grande desafio disto é: o que é que comemos?
A fenilalalina está em tantos alimentos que é muito difícil de evitar.
O Anthony tem alergia a frutos secos e eu pensava que era difícil,
mas o PKU é outro nível de dureza.
Mas as novas enzimas, podem em breve permitir aos doentes PKU
comer o que quiserem.
Recentemente a FDA aprovou uma enzima concebida para tratar a PKU.
É uma grande notícia para os doentes,
e é mesmo uma grande notícia
no campo da terapêutica geral de substituição de enzimas,
porque há outros alvos por aí em que seria uma boa abordagem.
Isto um bocadinho acerca da saúde.
Agora vamos falar de ambiente.
Quando soube da Grande Mancha de Lixo do Pacífico
— a propósito, é como uma enorme ilha de plástico,
algures entre a Califórnia e o Hawai —
e sobre microplásticos em quase todo o lado,
É preocupante.
Os plásticos não vão desaparecer tão cedo.
Mas as enzimas também nos podem ajudar nesta área.
Descobriram-se bactérias produtoras de enzimas que decompõem os plásticos
Estão a decorrer esforços para criar versões melhoradas destas enzimas.
Ao mesmo tempo, há enzimas que foram descobertas
e que estão a ser otimizadas
para fazer plásticos biodegradáveis não derivados de petróleo.
As enzimas também podem ajudar a capturar gases com efeito estufa,
tais como o dióxido de carbono, o metano e o óxido de azoto.
Não há dúvida que estas são grandes mudanças
e nenhuma é fácil.
Conseguir aproveitar as enzimas pode ajudar a resolver isto no futuro,
por isso, essa é outra área para termos expectativas.
Agora vou voltar à demonstração
— esta é a parte divertida.
Vamos começar com as amostras de quimosina.
Vou pôr estas aqui.
E podem ver aqui,
este é o que tinha água,
e não devia acontecer nada ao leite.
Este levou a quimosina.
Podem ver que clareou totalmente aqui em cima.
Existe toda esta parte coalhada, é queijo,
acabamos de fazer queijo em poucos minutos.
Esta é a reação,
que as pessoas têm feito há milhares e milhares de anos.
Penso fazer esta no próximo dia da ciência das crianças
mas eles podem ser um público difícil, pelo que veremos.
(Risos)
A outra que quero mostrar é esta.
Esta é a enzima para lavar a roupa suja.
Podem ver que é diferente daquela em que adicionámos água.
Tem uma espécie de clarificador,
e é mesmo isso que queremos que a enzima faça à roupa suja,
porque queremos conseguir ter uma enzima
que possa ser um triturador de proteínas, que as engula,
porque vamos ter nódoas de proteínas diferentes nas roupas,
como leite com chocolate ou gorduras, por exemplo,
e algo como isto vai ajudar a tirar essas nódoas.
E vai ser isto que também vai permitir
lavar a roupa com água fria, reduzir a pegada de carbono,
e ainda poupar dinheiro.
Bem, fizemos um longo caminho,
considerando a viagem de 7000 anos desde as enzimas a fazer queijo
à atual conceção de enzimas.
Estamos de facto numa encruzilhada criativa,
e com as enzimas, podemos editar o que a Natureza escreveu
ou escrever a nossa história com os aminoácidos.
Então, da próxima vez que estiverem na rua, numa noite abafada
e virem um pirilampo,
espero que pensem nas enzimas.
Elas fazem coisas extraordinárias por nós hoje.
E através da criação,
podem ser ainda mais extraordinárias amanhã.
Obrigado.
(Aplausos)
Tendo sido criado no Wisconsin, passei muito tempo ao ar livre.
Na primavera, eu respirava a fragrância inebriante dos lilases.
No verão, eu adorava o brilho elétrico dos vaga-lumes
piscando nas noites abafadas.
No outono, os pântanos se enchiam com o vermelho brilhante do cranberry.
Até o inverno tinha seus encantos,
com os ramos natalinos dos pinheiros.
A natureza sempre foi fonte de admiração e inspiração para mim.
Ao longo da minha graduação em química, e nos anos seguintes,
comecei a entender melhor o mundo em detalhes moleculares.
Todas as coisas que acabei de mencionar, do aroma dos lilases, os pinheiros,
até o vermelho brilhante do cranberry e o brilho dos vaga-lumes,
têm pelo menos uma coisa em comum:
elas são feitas de enzimas.
Como disse, cresci em Wisconsin, então obviamente gosto de queijo
e dos Green Bay Packers.
Mas vou me deter um pouco no queijo.
Pelo menos nos últimos 7 mil anos,
os seres humanos têm extraído uma mistura de enzimas
do estômago de vacas, ovelhas e cabras, adicionando-a ao leite.
Isso faz o leite coagular, e é parte do processo de fabricação do queijo.
A enzima-chave nessa mistura se chama quimosina.
Vou mostrar como ela funciona.
Tenho aqui dois tubos,
e vou adicionar quimosina num deles.
Só um minutinho.
Meu filho Anthony, de oito anos,
me ajudou a preparar esta apresentação para vocês,
daí fomos pra cozinha fatiar abacaxis,
extrair enzimas de batatas Asterix
e fazer todo tipo de experimento.
E, no final, achamos que o da quimosina ficou bem legal.
Bem, a quimosina fica nadando no leite
e se liga a uma proteína chamada caseína.
Daí, ela corta a caseína...
é como uma tesoura molecular.
É esse corte que faz o leite coalhar.
Aqui estamos nós na cozinha trabalhando nisso.
Tudo bem.
Vou sacudir os tubos.
Vou colocar estes de lado, e deixá-los misturar um pouco.
Ótimo.
Se o DNA é o projeto da vida,
as enzimas são as operárias que o executam.
Uma enzima é uma proteína que é um catalisador
que agiliza ou acelera uma reação química,
assim como a quimosina aqui está acelerando a coagulação do leite.
Mas não tem a ver só com o queijo.
Embora as enzimas tenham papel importante em nossa alimentação,
elas também estão envolvidas em tudo o mais, desde a saúde infantil
até o combate a um dos maiores desafios ambientais de hoje.
Os tijolos da construção das enzimas se chamam aminoácidos.
Existem 20 aminoácidos comuns,
e normalmente os designamos por letras, abreviações,
então é realmente uma sopa de letrinhas de aminoácidos.
Numa enzima, os aminoácidos se ligam
como as pérolas num colar.
E a identidade dos aminoácidos tem a ver
com as letras desse colar
e em que ordem elas aparecem, que palavras formam,
conferindo propriedades únicas a uma enzima e a diferenciando de outras.
Essa cadeia de aminoácidos, esse colar,
faz parte de uma estrutura de ordem superior.
E, se eu der um zoom no nível molecular e observarmos a quimosina,
que é a enzima que atua aqui, veremos algo assim:
um monte de fios, laços, hélices, voltas e curvas,
que precisam dessa conformação exata pra funcionar corretamente.
Hoje em dia, podemos produzir enzimas em micróbios,
que podem ser uma bactéria ou uma levedura, por exemplo.
Para tanto, pegamos um pedaço de DNA
que codifique uma enzima em que estejamos interessados,
inserimos no micróbio
e deixamos que ele use seus próprios meios
para produzir a enzima para nós.
Então, hoje, para obter a quimosina, não precisamos de um bezerro;
podemos obtê-la de um micróbio.
O mais legal atualmente é poder selecionar sequências de DNA personalizadas
para produzir as enzimas que queremos, coisas que não existem na natureza.
Para mim, a parte divertida é tentar projetar enzimas para um novo uso,
organizando os átomos exatamente para tal.
O ato de tirar uma enzima da natureza e brincar com esses aminoácidos,
mexer com essas letras, colocando algumas, tirando outras,
reorganizando-as um pouco, talvez,
é um pouco como encontrar um livro, editar alguns capítulos ou mudar o final.
Em 2018, o Prêmio Nobel de Química foi para o desenvolvimento dessa abordagem,
conhecida como "evolução dirigida".
Atualmente, podemos aproveitar os poderes da evolução dirigida
para projetar enzimas com fins personalizados,
e um deles é projetar enzimas para serem usadas
em novas áreas, como lavagem de roupa.
Assim como as enzimas do corpo nos ajudam a digerir a comida que ingerimos,
as enzimas no detergente da roupa
podem nos ajudar a dissolver as manchas dela.
Ocorre que 90% da energia gasta na lavagem vem do aquecimento da água.
E por uma boa razão: a água mais aquecida facilita a limpeza das roupas.
Mas e se pudéssemos lavar com água fria?
Certamente economizaríamos algum dinheiro e, além disso,
segundo cálculos feitos pela Procter and Gamble,
se todas as famílias nos EUA lavassem as roupas com água fria,
economizaríamos 32 toneladas métricas de emissões de CO2 por ano.
Isso é muito; é o equivalente ao dióxido de carbono
emitido por 6,3 milhões de carros.
Então, como projetar uma enzima para realizar essas mudanças?
As enzimas não evoluíram para lavar roupa suja,
muito menos em água fria.
Mas podemos ir para a natureza e encontrar um ponto de partida,
uma enzima com alguma atividade inicial,
uma matéria-prima com que possamos trabalhar.
Temos aqui um exemplo dessa enzima,
e podemos, como disse, brincar com esses aminoácidos,
colocando algumas letras, tirando outras, reorganizando-as.
E, ao fazer isso, podemos criar milhares de enzimas.
E podemos pegá-las e testá-las em microplacas como esta.
Esta placa contém 96 poços,
e em cada poço há um pedaço de tecido com uma mancha.
Podemos medir a eficácia de cada uma dessas enzimas
para remover as manchas dos pedaços de tecido
e, assim, ver como está funcionando.
E podemos fazer isso usando robótica, como verão daqui a pouco na tela.
Daí, fazemos isso,
e ocorre que algumas das enzimas estão meio que no estágio inicial.
Nada que mereça atenção.
Algumas são piores, então nos livramos delas.
E algumas são melhores.
Aquelas melhoradas se tornam nossa versão 1.0.
Essas são as enzimas com que queremos trabalhar,
e dá pra repetir esse ciclo indefinidamente.
E é essa repetição que nos permite criar uma nova enzima,
algo que faça o que precisamos.
E, após vários desses ciclos, acabamos chegando a algo novo.
Hoje é possível ir ao supermercado e comprar um detergente de roupas
que permita lavar em água fria, devido a enzimas como esta aqui.
E quero mostrar pra vocês como esta funciona também.
Então, tenho mais dois tubos,
e, novamente, ambos contêm leite.
Deixem-me mostrar: vou adicionar esta enzima num deles,
e adicionar um pouco d'água no outro.
Esse é o controle, então não deve acontecer nada neste tubo.
Vocês podem achar curioso eu fazer isso com o leite.
Mas a escolha se deve ao fato de que o leite é cheio de proteínas,
e é muito fácil ver esta enzima funcionar numa solução assim,
porque ela é mestre em cortar proteínas,
é isso o que ela faz.
Então deixem-me colocar isto aqui.
E, como expliquei, ela é mestre em cortar proteínas,
e podemos extrapolar o que ela faz com o leite
para o que estaria fazendo com a roupa.
Então, é uma maneira de visualizar o que pode acontecer.
Bem, coloquei nos dois.
E vou dar uma chacoalhada rápida também.
Agora vamos deixar isso aqui com a amostra da quimosina,
e no final voltamos pra ver.
Bem, quais as perspectivas quando se fala de projetar enzimas?
Certamente será mais rápido, pois há abordagens para desenvolver enzimas
que permitem aos pesquisadores ter muito mais amostras do que acabei de mostrar.
E, além de mexer, como falei, com enzimas naturais,
alguns cientistas agora estão tentando projetar enzimas do zero,
usando aprendizado de máquina, uma abordagem da inteligência artificial,
para informar seus projetos de enzimas.
E outros estão adicionando aminoácidos não naturais à mistura.
Falei dos 20 aminoácidos comuns,
eles estão adicionando aminoácidos não naturais
para fazer enzimas com propriedades diferentes das encontradas na natureza.
É uma área bem legal.
Como as enzimas projetadas vão nos afetar nos anos vindouros?
Bem, quero focar duas áreas:
saúde humana e meio ambiente.
Algumas indústrias farmacêuticas têm equipes para projetar enzimas
para fazer drogas mais eficientes e com menos catalisadores tóxicos.
Por exemplo, o Januvia, medicamento para o Diabetes do tipo 2,
é parcialmente feito com enzimas.
Certamente o número de medicamentos feitos com enzimas vai crescer no futuro.
Noutra área, existem certos distúrbios
em que uma única enzima no corpo não funciona adequadamente.
Um exemplo disso é a chamada fenilcetonúria, ou PKU.
Pessoas com PKU são incapazes de metabolizar ou digerir a fenilalanina,
que é um dos 20 aminoácidos comuns.
A ingestão de fenilalanina por pessoas com PKU traz como consequência
deixá-las sujeitas a deficiências intelectuais permanentes,
portanto é uma doença assustadora.
Então, para quem tem filho...
quem tem filho aqui?
Muitos de vocês.
Então já devem ter ouvido falar dela,
pois todos os bebês nos EUA têm de ser testados para a doença.
Lembro-me de quando furaram o calcanhar do Anthony, meu filho, para o teste.
O grande desafio da doença é: o que comer?
A fenilalanina está presente em diversos alimentos; é muito difícil de evitar.
O Anthony tem uma alergia a nozes, e já acho difícil,
mas a PKU está num outro nível.
Mas, em breve, novas enzimas poderão permitir a pacientes com PKU
comer o que quiserem.
Recentemente, a FDA aprovou uma enzima projetada para tratar a PKU.
Esta é uma ótima notícia não só para os pacientes,
mas também para o campo da terapia da substituição enzimática em geral,
porque existem outros alvos por aí em que essa seria uma boa abordagem.
Bem, abordei um pouco a saúde, agora quero falar sobre o meio ambiente.
Quando li sobre o Lixão do Pacífico,
que é uma enorme ilha cheia de plástico localizada entre a Califórnia e o Havaí,
e sobre microplásticos praticamente em todo lugar,
achei isso perturbador.
Os plásticos não vão desaparecer tão cedo.
Mas as enzimas podem nos ajudar nessa área também.
Recentemente descobriram-se bactérias produtoras de enzima plástico-degradável.
Esforços para projetar versões aprimoradas dessas enzimas já estão em andamento.
Ao mesmo tempo,
há enzimas que foram descobertas e estão sendo otimizadas
para fazer plásticos biodegradáveis não derivados de petróleo.
As enzimas também podem ajudar na captura de gases do efeito estufa,
como dióxido de carbono, metano e óxido nitroso.
Bem, não há dúvida: esses são desafios enormes,
e nenhum deles é fácil.
Mas nossa capacidade de usar enzimas pode nos ajudar a resolvê-los no futuro,
então esperamos ansiosamente por essas soluções.
Mas vou voltar à demonstração; essa é a parte divertida.
Começarei com as amostras com quimosina.
Deixem-me colocar isto aqui.
E aqui está o tubo em que coloquei água,
então não deve acontecer nada com o leite.
Este é o tubo que recebeu a quimosina.
Dá pra ver como ficou translúcido aqui em cima.
E há esse material coagulado: é queijo, que acabei de fazer nos últimos minutos.
Então essa é a reação realizada pelas pessoas há milhares de anos.
Acho que vou repetir isso no dia de levar os filhos pro trabalho,
mas às vezes as crianças são difíceis de agradar, vamos ver.
E o outro tubo que quero ver é este aqui.
Esta é a enzima pra lavar roupa.
E dá pra ver que é diferente do tubo com adição de água.
É meio clareador, e é exatamente o que queremos na lavagem de roupas,
pois queremos uma enzima
que seja uma trituradora de proteínas, que as destrua,
porque sempre temos manchas diferentes em nossas roupas,
como achocolatado, graxa, por exemplo,
e uma coisa assim vai ajudar a retirá-las.
E isso também vai permitir lavar com água fria, reduzir a pegada de carbono
e economizar algum dinheiro.
Bem, percorremos um longo caminho
nessa jornada de 7 mil anos de enzimas sendo usadas na fabricação de queijos,
até atualmente, de podermos projetar enzimas.
Estamos numa encruzilhada criativa
e, com as enzimas, podemos editar o que a natureza escreveu
ou escrever, com aminoácidos, nossa própria história.
Então, da próxima vez que estiverem ao ar livre, numa noite abafada,
e virem um vaga-lume,
espero que pensem nas enzimas.
Atualmente, elas estão fazendo coisas incríveis por nós.
E, através do design,
poderão fazer coisas mais incríveis ainda amanhã.
Obrigado.
(Aplausos)
Crescând în centrul Wisconsinului, am petrecut mult timp afară.
Primăvara miroseam aroma îmbătătoare a liliacului.
Vara îmi plăcea strălucirea electrică a licuricilor
ce treceau în zbor în nopțile înăbușitoare.
Toamna mlaștinile erau înțesate cu culoarea roșie a afinelor.
Chiar și iarna avea farmecul ei,
cu parfumul specific Crăciunului ce emană din pini.
Natura pentru mine a fost mereu o sursă de mirare și inspirație.
După ce am absolvit facultatea de chimie și în următorii ani
am ajuns să înțeleg lumea naturală în detalii moleculare.
Tot ce am menționat până acum,
de la mirosul de liliac și pini
la roșul aprins al afinelor și strălucirea licuricilor,
au cel puțin un lucru în comun:
sunt toate create de enzime.
Cum am spus, am crescut în Wisconsin, așa că îmi place brânza
și echipa Green Bay Packers.
Haideți să vorbim despre brânză puțin.
Cel puțin în ultimii 7.000 de ani,
oamenii au extras un amestec de enzime
din stomacurile vacilor, oilor și caprelor
și le-au adăugat laptelui.
Astfel laptele se prinde, face parte din procesul de producere a brânzei.
Enzima cheie în acest amestec se numește chimozină.
Vreau să vă arăt cum funcționează.
Chiar aici am două eprubete,
și voi adăuga chimozină în una dintre acestea.
Doar un moment.
Fiul meu, Anthony, care are opt ani,
a fost foarte interesat să mă ajute să fac o demonstrație pentru TED,
așa că eram în bucătărie și tăiam un ananas,
extrăgeam enzime din cartofi roșii
și făceam tot felul de experimente în bucătărie.
La final, însă,
demonstrația cu chimozină ni s-a părut interesantă.
Așa că, ce se întâmplă aici
e că chimozina se amestecă în lapte,
și se lipește de o proteină numită cazeină.
Apoi se blochează pe cazeină,
e ca un foarfece molecular.
Din cauza acestei blocări laptele se prinde.
Așadar, iată-ne în bucătărie, lucrând la asta.
În regulă.
Dați-mi voie să o agit rapid.
Apoi o punem deoparte și o lăsăm să se liniștească puțin.
În regulă.
Dacă ADN-ul este planul vieții,
enzimele sunt muncitorii care execută instrucțiunile.
O enzime este o proteină catalizator,
grăbește sau accelerează o reacție chimică,
la fel cum chimozina de aici accelerează închegarea laptelui.
Dar nu e vorba doar de lapte.
Deși enzimele joacă un rol important în mâncărurile noastre,
sunt implicate și în lucruri precum sănătatea unui nou-născut,
până la cele mai mari provocări de mediu
pe care le avem azi.
Elementele esențiale ale enzimelor sunt aminoacizii.
Există 20 de aminoacizi comuni
și sunt denumiți folosind abrevieri de o singură literă,
așa că există un alfabet de aminoacizi.
Într-o enzimă, acești aminoacizi sunt înșirați,
ca perlele pe un lanț.
Și identitatea aminoacizilor,
adică ce litere sunt pe acel lanț,
și ordinea în care sunt puși,
oferă enzimei proprietăți unice și o diferențiază de alte enzime.
Acest șirag de aminoacizi,
acest colier
se pliază într-o structură de ordin înalt.
Dacă ai mări imaginea la nivelul molecular
și ai vedea chimozina, enzima cu care lucrăm aici,
ai vedea că arată așa.
Șiruri și bucle și spirale și răsuciri și întorsături,
și trebuie să fie în această formă pentru a funcționa corespunzător.
În zilele noastre, putem face enzime în microbi,
și poate fi o bacterie sau o drojdie, de exemplu.
Facem asta luând o bucată de ADN
ce codifică enzima ce ne interesează,
o introducem în microb,
iar microbul e lăsat să-și folosească propriile mijloace
pentru a produce acea enzimă pentru noi.
Așa că, dacă vreți chimozină, nu mai aveți nevoie de viței,
puteți s-o luați de la un microb.
Ce e și mai interesant,
e că putem folosi secvențe personalizate de ADN
pentru a face ce enzime vrem,
enzime ce nu se găsesc în natură.
Iar pentru mine partea distractivă
este să proiectăm o enzimă pentru o aplicație nouă,
aranjând atomii în modul potrivit.
Faptul de a lua o enzimă din natură și jucându-ne cu acei aminoacizi,
jucându-ne cu acele litere,
punând câteva litere, scoțând altele,
poate rearanjându-le,
e ca și când ai găsi o carte
și ai edita câteva capitole și ai schimba sfârșitul poveștii.
În 2018, premiul Nobel pentru chimie
a fost dat pentru dezvoltarea acestei abordări
cunoscută ca evoluție direcționată.
În ziua de azi putem valorifica puterile evoluției direcționate
ca să proiectăm enzime pentru scopuri personalizate,
precum crearea de enzime pentru aplicații în domenii noi,
precum spălatul rufelor.
Precum enzimele din corp
ce ajută la descompunerea mâncării pe care o mănânci,
enzimele din detergent
pot ajuta la dizolvarea petelor de pe hainele.
Se pare că 90 la sută din energia
necesară spălării
e pentru încălzirea apei.
Și e de înțeles,
apa caldă ne ajută să ne curățăm hainele.
Dar dacă ați putea să vă spălați hainele în apă rece?
Cu siguranță ați economisi bani,
și pe lângă asta,
potrivit unor calcule făcute de Procter and Gamble,
dacă toate casele din Statele Unite ar spăla hainele cu apă rece
am reduce emisiile de carbon cu 32 de tone în fiecare an.
Asta e mult,
e echivalentul
dioxidul de carbon emis de 6,3 milioane de mașini.
Așadar, cum vom proiecta o enzimă
care să realizeze aceste schimbări?
Enzimele nu au evoluat să curețe rufe murdare,
cu atât mai puțin în apă rece.
Dar observând natura putem găsi un punct de plecare.
Putem găsi o enzimă ce are o activitate de început,
niște lut cu care putem lucra.
Acesta e un exemplu de o asemenea enzimă.
Putem să ne jucăm cu acești aminoacizi, cum am zis,
adăugând unele litere, scoțând unele litere,
rearanjându-le.
Și făcând asta, putem genera mii de enzime.
Și putem să luăm aceste enzime,
și putem să le testăm în socluri de felul acesta.
Acest soclu pe care îl am în mână
conține 96 de orificii,
și în fiecare orificiu e o bucată de material cu o pată pe ea.
Și putem măsura dacă aceste enzime
pot elimina petele de pe aceste bucăți de material,
și astfel vedem cât de bine funcționează.
Putem face asta folosind robotica,
după cum veți vedea imediat pe ecran.
Bine, facem asta, și se pare
că unele enzime sunt un fel de aproximare
a unei enzimei de început.
Nu ne interesează acestea.
Unele sunt mai rele, așa că le eliminăm.
Și unele sunt mai bune.
Acestea devin versiunea 1.0.
Cu aceste enzime continuăm cercetarea,
și putem repeta acest ciclu iar și iar.
Repetarea acestui ciclu ne permite să obținem o nouă enzimă,
ceva cu care putem face ce dorim.
Și după câteva cicluri,
am obținut cu ceva nou.
Puteți azi să vă duceți la supermarket să cumpărați un detergent
care vă permite să spălați în apă rece mulțumită enzimelor de genul acesta.
Și vreau să vă arăt cum funcționează și asta.
Așa că am încă două eprubete aici,
și acestea sunt tot cu lapte.
Lăsați-mă să vă arăt,
în aceasta am să adaug enzima,
iar în cealaltă am să adaug apă.
Asta e de control,
nu ar trebui să se întâmple nimic în acea eprubetă.
Și puteți crede că e ciudat că fac asta cu laptele.
Dar motivul pentru care o fac
e că laptele e plin cu proteine,
și e foarte ușor să vedem activitatea enzimei într-o soluție proteică,
pentru că taie proteinele foarte bine,
aceasta e funcția ei.
Așa că haideți să introducem asta.
Cum v-am spus, aceasta taie foarte bine proteinele
așa că puteți extrapola ce face acestui lapte
asupra rufelor murdare.
E un mod de a vizualiza ce se poate întâmpla.
Bine, am introdus în ambele.
Și am să o închid și pe aceasta.
Bine, le vom lăsa să stea lângă mostra cu chimozină
și am să revin la acestea la final.
Care e viitorul proiectării de enzime?
În mod cert procesul va deveni mai rapid,
există metode de evoluare a enzimelor
ce permit cercetătorilor să încerce mai multe mostre
decât v-am arătat eu.
Pe lângă manipularea enzimelor naturale,
despre care am vorbit,
unii cercetători încearcă să proiecteze enzime de la zero,
folosind învățarea automată, o abordare a inteligenței artificiale,
pentru descoperi structura enzimelor.
Alte metode adaugă aminoacizi artificiali în amestec.
Am vorbit despre cei 20 de aminoacizi naturali,
cei mai întâlniți aminoacizi,
ei adaugă aminoacizii artificiali
pentru a construi enzime cu proprietăți diferite de cele întâlnire în natură.
Acesta e un domeniu frumos.
Ce impact vor avea asupra voastră enzimele proiectate?
Vreau să mă concentrez pe două domenii:
sănătatea umană și mediul.
Unele companii farmaceutice
au acum echipe dedicate proiectării de enzime
care să facă medicamente mai eficiente și cu mai puțini catalizatori toxici.
De exemplu, Januvia,
un medicament pentru diabetul tip 2,
este făcut parțial din enzime.
Numărul medicamentelor cu enzime va crește în viitor.
În alt domeniu,
sunt unele boli
unde o singură enzimă din corpul unei persoane nu funcționează bine.
Un exemplu este fenilcetonuria,
sau pe scurt PKU.
Oameni cu PKU nu pot metaboliza sau digera cum trebuie fenilalanina,
unul din cei 20 de aminoacizi comuni despre care am vorbit.
Consecința ingerării fenilalaninei de către oamenii cu PKU
e riscul de a dobândi dizabilității intelectuale permanente,
așa că e înfricoșător.
Cei dintre voi cu copii...
aveți copii, cine are copii?
Mulți dintre voi.
E posibil să cunoașteți această boală
pentru că toți nou-născuții din Statele Unite sunt testați obligatoriu pentru PKU.
Îmi aduc aminte că fiul meu, Anthony, a fost înțepat în călcâi pentru asta.
Marea provocare e: ce mănânci?
Fenilalanina e în multe alimente, e incredibil de greu de evitat.
Anthony are o alergie la nuci și am crezut că asta e greu,
dar această boală e la alt nivel de dificultate.
Totuși noile enzime vor putea permite pacienților cu fenilcetonurie
să mănânce orice vor.
Recent, FDA a aprobat o enzimă care tratează fenilcetonuria.
Asta e o veste bună pentru pacienți,
și o veste extrem de bună
pentru domeniul terapiei de înlocuire a enzimelor în general
pentru că există multe alte boli în care această abordare ar fi potrivită.
Asta a fost despre sănătate.
Acum să trecem la mediu.
Când citesc despre Marea Insulă de Gunoaie din Pacific
care e o insulă imensă din plastic,
undeva între California și Hawaii,
și despre microplastic ce e aproape peste tot,
e supărător.
Plasticul n-o să dispară prea curând.
Dar enzimele ne pot ajuta și în acest domeniu.
Recent au fost descoperite enzime ce descompun plasticul.
Se lucrează deja la proiectarea unor versiuni mai bune
ale acestor enzime.
În același timp, există enzime care au fost descoperite
și care sunt optimizate
să facă plastic biodegradabil din produse non-petroliere.
Enzimele pot ajuta și la captarea gazelor cu efect de seră,
cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și protoxidul de azot.
Fără nicio îndoială, acestea sunt provocări majore
și niciuna dintre ele nu e ușoară.
Dar enzimele ne-ar putea ajuta să le rezolvăm în viitor,
și cred că e un alt domeniu de interes.
Acum am să mă întorc la demonstrație,
asta e partea distractivă.
Vom începe cu mostrele de chimozină.
Le voi pune pe acestea aici.
Și puteți să vedeți aici,
asta e cea în care am pus apă,
așa că n-ar trebui să se întâmple nimic cu acest lapte.
Asta e cea cu chimozină.
Puteți vedea că s-a limpezit aici.
La fund s-a coagulat, aceea e brânză,
am făcut brânză în ultimele câteva minute.
Aceasta e reacția
pe care oamenii au făcut-o timp de mii și mii de ani.
Am să fac asta la următoarea demonstrație de Ziua de Lucru a Copiilor
dar ei pot fi dificili, așa că vom vedea.
(Râsete)
Și apoi o avem pe aceasta.
Această enzimă e pentru spălatul rufelor.
Și puteți vedea că e diferită de cea în care am adăugat apă.
Se vede că s-a limpezit puțin,
și asta îți dorești de la enzima din rufele tale,
pentru că vei vrea o enzimă
care să distrugă proteinele, să le mestece,
deoarece vei avea diferite pete de proteine pe haine,
cum ar fi lapte cu ciocolată sau iarbă verde,
și ceva de genul acesta te va ajuta să le curăți.
Și tot asta vă va permite
să spălați în apă rece, să vă reduceți amprenta de carbon
și să economisiți niște bani.
Am ajuns departe,
considerând această călătorie de 7.000 de ani de la enzimele pentru brânză
la proiectarea de enzime din zilele noastre.
Suntem de fapt la răscruce de drumuri,
și cu ajutorul enzimelor, editând ce a scris natura
sau creând propriile enzime din aminoacizi.
Data viitoare când sunteți afară într-o noapte înăbușitoare
și vedeți un licurici,
sper că vă veți gândi la enzime.
Acestea fac lucruri incredibile pentru noi.
Și prin proiectare,
ele pot să facă lucruri și mai uimitoare în viitor.
Vă mulțumesc!
(Aplauze)
Я рос в центральном Висконсине
и много времени проводил на свежем воздухе.
Весной я ощущал пьянящий аромат сирени.
Летом я любил наблюдать за ярким сиянием светлячков,
копошащихся в траве тёплыми ночами.
Осенью болота переполнялись ярко-красной клюквой.
Даже в зиме было своё очарование
с рождественским букетом из сосновых веток.
Для меня природа всегда была источником чудес и вдохновения.
Изучая химию в университете и в более поздние годы,
я стал лучше понимать мир природы на молекулярном уровне.
Всё, что я сейчас упомянул, —
от аромата сирени и сосен
до ярко-красного цвета клюквы и сияния светлячков, —
имеет по крайней мере одну общую черту:
всё это вырабатываются ферментами.
Поскольку я вырос в Висконсине, конечно, я люблю сыр
и Грин-Бей Пэкерс.
Давайте немного поговорим о сыре.
По меньшей мере последние 7 000 лет
люди извлекали смесь ферментов
из желудков коров, овец и коз
и добавляли её в молоко.
Молоко таким образом сворачивается — это один из этапов изготовления сыра.
Ключевой фермент этой смеси — химозин.
Я хочу показать вам, как он работает.
У меня две пробирки,
в одну из которых я добавлю химозин.
Одну секунду.
Моему сыну Энтони восемь лет,
и он очень хотел помочь мне с демонстрацией для этого выступления.
Мы сидели на кухне, нарезали ананасы,
извлекали ферменты из красного картофеля
и делали всевозможные опыты на кухне.
В итоге мы решили,
что опыт с химозином — самый классный.
Что здесь происходит?
Химозин плавает в молоке,
и он связывается с белком, который называется казеином.
Он «режет» казеин,
словно молекулярные ножницы.
Именно благодаря этому процессу молоко сворачивается.
Вот мы на кухне проводим этот опыт.
Отлично.
Теперь я потрясу пробирки.
Затем мы отставим их в сторону и немного подождём.
Хорошо.
Если ДНК — это проект жизни,
то ферменты — рабочие, выполняющие его инструкции.
Фермент — это белок,
катализатор, ускоряющий химическую реакцию,
как, например, химозин ускоряет свёртывание молока.
Но речь не только о сыре.
В то время как ферменты играют важную роль в наших продуктах питания,
они также участвуют во всём, начиная от здоровья младенцев
заканчивая борьбой с крупнейшими на сегодняшний день
экологическими проблемами.
Основные строительные блоки ферментов называются аминокислотами.
Существует 20 основных аминокислот,
мы обычно обозначаем их однобуквенными аббревиатурами,
поэтому получается такой алфавит из аминокислот.
В ферменте эти аминокислоты соединены вместе,
как жемчуг на ожерелье.
Такой набор аминокислот —
буквы в этом ожерелье
и порядок, в котором они находятся, —
придаёт ферменту уникальные свойства
и отличает от других ферментов.
Эта цепочка аминокислот,
это ожерелье,
складывается в структуру более высокого порядка.
Если мы спустимся на молекулярный уровень
и посмотрим на химозин, фермент из нашего опыта,
вы увидите, что он выглядит так.
Все эти пряди и петли, спирали, изгибы, и повороты:
именно такой должна быть его форма, чтобы он выполнял свои функции.
Сейчас мы можем делать ферменты в микробах.
Это может быть, например, бактерия или дрожжи.
Мы берём кусочек ДНК,
который кодирует интересующий нас фермент,
и помещаем его в микроб.
Микроб использует собственную систему,
собственные возможности,
чтобы произвести этот фермент для нас.
Если вам нужен химозин, можно обойтись без телёнка:
этот фермент можно получить из микроба.
Но ещё круче то,
что теперь можно набирать свою последовательность ДНК,
чтобы создавать любой фермент,
которого даже нет в природе.
Для меня самое интересное —
попытаться создать фермент для новой области применения,
расположив атомы в определённом порядке.
Когда мы берём фермент из природы, играем с аминокислотами,
подбираем эти буквы,
вводим и выводим некоторые из них,
возможно, меняем их местами —
это чем-то похоже на поиск книги
и редактирование нескольких глав или изменение концовки.
В 2018 году Нобелевская премия по химии
была присуждена за развитие этого подхода —
направленной эволюции ферментов.
Сегодня мы можем использовать потенциал направленной эволюции,
чтобы создавать ферменты для конкретных целей
и новых областей,
например, для стирки белья.
Ферменты в вашем организме
помогают расщеплять пищу,
и точно так же ферменты в стиральном порошке
помогут расщепить пятна на вашей одежде.
Примерно 90% энергии,
которая идёт на стирку,
тратится на подогрев воды.
Причина вполне понятна —
в более тёплой воде одежда лучше отстирывается.
А если бы можно было стирать в холодной воде так же эффективно?
Вы, безусловно, сэкономите деньги,
и вдобавок к этому,
согласно некоторым подсчётам, сделанным Procter and Gamble,
если бы все домашние хозяйства в США стирали только в холодной воде,
мы бы сократили выбросы CO2 на 32 тонны ежегодно.
Это много,
примерно столько углекислого газа
выбрасывают 6,3 миллиона автомобилей.
Как же создать фермент,
способный всё это сделать?
Ферменты эволюционировали не для того, чтобы чистить грязное бельё,
тем более в холодной воде.
Но мы можем обратиться к природе и найти отправную точку.
Найдём фермент с начальной активностью,
с которым можно работать.
Пример такого фермента вы видите на экране.
Мы можем поиграть с этими аминокислотами, как я уже говорил,
вставить и убрать некоторые буквы,
поменять их местами.
При этом мы можем создавать тысячи ферментов,
брать их
и тестировать на таких небольших пластинах.
На этой пластине, которую я держу в руках,
96 лунок.
В каждой лунке имеется кусочек ткани с пятном на нём.
Мы можем измерить, как каждый из этих ферментов
справляется с удалением пятен,
и посмотреть, как он работает.
Мы можем сделать это с помощью робототехники,
как вы увидите через секунду на экране.
Оказывается,
некоторые ферменты по свойствам приблизительно такие же,
как начальный фермент.
Ничего особенного.
Некоторые похуже, от них избавляемся.
А некоторые лучше.
Назовём их нашей версией 1.0.
Эти ферменты мы сохраним
и повторим этот цикл несколько раз.
Благодаря такому повторению мы сможем найти новый,
нужный нам фермент.
После нескольких циклов
мы найдём что-то новое.
Сегодня можно пойти в супермаркет и купить стиральный порошок,
который хорошо стирает в холодной воде
благодаря подобным ферментам.
Я покажу вам, как это работает.
У меня здесь ещё две пробирки
с молоком.
В одну я добавлю этот фермент,
а в другую — немного воды.
Это контрольная пробирка,
поэтому в ней ничего не произойдёт.
Вам интересно, почему именно молоко.
Причина в том,
что молоко насыщено белками,
и мы легко увидим, как этот фермент работает в белковом растворе,
потому что это мастер-измельчитель белков,
это его работа.
Я ввожу его в пробирку.
Как я уже сказал, это измельчитель белков,
и в молоке будет происходить то же самое,
что и при стирке вашего белья.
Это как бы визуализация того, что будет происходить.
Обе пробирки готовы.
Потрясу их немного.
Они будут стоять здесь, вместе с химозином,
и я вернусь к ним в конце выступления.
Что же ждёт ферменты в будущем?
Создание новых ферментов будет происходить быстрее.
Уже существуют такие подходы,
позволяющие обрабатывать гораздо больше образцов,
чем я вам показал.
Помимо экспериментирования с природными ферментами,
о которых мы с вами говорили,
некоторые учёные пытаются создавать ферменты с нуля,
используя машинное обучение, искусственный интеллект,
чтобы определить структуры ферментов.
Другие добавляют необычные аминокислоты.
Мы ранее говорили о 20 встречающихся в природе,
распространённых аминокислотах.
Они добавляют другие аминокислоты
для создания ферментов, обладающих свойствами,
отличными от найденных в природе.
Довольно интересная область.
Как новые ферменты повлияют на вас в ближайшие годы?
Я расскажу о двух областях:
здоровье человека и окружающая среда.
В некоторых фармацевтических компаниях
целые группы занимаются созданием ферментов,
позволяющих сделать лекарства более эффективными
и с меньшим количеством токсичных катализаторов.
Например, Янувия,
лекарство для лечения сахарного диабета 2-го типа,
изготовлено частично из ферментов.
Количество таких лекарств, несомненно, будет расти в будущем.
Вот другая область.
В организме человека возникают определённые нарушения,
когда какой-либо фермент не работает должным образом.
Типичный пример — фенилкетонурия,
сокращённо ФКУ.
Люди с ФКУ неспособны правильно метаболизировать
или переваривать фенилаланин —
одну из 20 основных аминокислот, о которых мы говорили.
Употребление фенилаланина больными ФКУ
приводит к нарушениям умственного развития.
Страшная вещь.
Те из вас, у кого есть дети —
у кого из вас есть дети?
У многих.
Возможно, вы знакомы с ФКУ,
потому что у всех младенцев в США должны брать кровь на анализ.
Я помню, как у моего сына Энтони взяли кровь из пятки.
Проблема в том, что вы едите.
Фенилаланин присутствует во многих продуктах,
его очень трудно избежать.
У Энтони аллергия на орехи, и я думал, что это тяжело,
но жить с ФКУ намного тяжелее.
Однако, новые ферменты могут вскоре позволить пациентам с ФКУ
есть всё, что они пожелают.
Недавно FDA одобрило фермент, предназначенный для лечения ФКУ.
Это важная новость для пациентов
и очень важная новость
для ферментозамещающей терапии в целом,
потому что есть и другие области, где это можно применить.
Это что касается здоровья.
Перейдём к окружающей среде.
Когда я читал о большом тихоокеанском мусорном пятне, —
оно, кстати, выглядит как огромный остров из пластика,
где-то между Калифорнией и Гавайями, —
и о микропластике практически повсюду,
меня это сильно расстроило.
Пластик не исчезнет в ближайшее время.
Но ферменты и здесь могут нам помочь.
Недавно были обнаружены бактерии, вырабатывающие ферменты,
разрушающие пластмассу.
Уже предпринимаются попытки усовершенствования
этих ферментов.
В то же время обнаружены ферменты,
которые оптимизированы
для производства биоразлагаемого пластика,
не содержащего нефть.
Ферменты также могут помочь в улавливании парниковых газов,
таких как углекислый газ, метан и окись азота.
Нет сомнений в том, что это серьёзные проблемы,
все они сложные.
Но наше умение использовать ферменты
поможет нам справиться с этими проблемами в будущем,
поэтому это ещё одна область, на которую стоит обратить внимание.
Я вернусь к демонстрации —
сейчас будет самое интересное.
Начнём с химозина.
Эти я уберу сюда.
Здесь видно,
что в этой пробирке была вода,
и с этим молоком ничего не произошло.
А в этой — химозин.
Вы видите, здесь всё прозрачно.
А внизу всё свернувшееся молоко, сыр,
мы только что сделали сыр за несколько минут.
Это та самая реакция,
которую люди проводят тысячелетиями.
Я хочу показать этот опыт во время «Дня детей на работе»,
но они — требовательная публика, так что посмотрим.
(смех)
Вот ещё одна пробирка, которую я хочу показать.
Это фермент для стирки.
Как видите, эта пробирка отличается от той, в которую добавили воду.
Здесь жидкость более прозрачная,
именно это ожидается от фермента в процессе стирки,
потому что вам нужен такой фермент,
который будет «охотиться» за белками, просто «пережёвывать» их.
На вашей одежде разные белковые пятна,
например, от шоколадного молока или травы,
и такой фермент поможет вывести эти пятна.
Благодаря ему
вы сможете стирать в холодной воде, уменьшить выбросы углерода
и немного сэкономить.
Мы рассмотрели
этот долгий 7 000-летний путь от ферментов в сыре
до новейших ферментов, которые создаются сейчас.
Сейчас мы на творческом перепутье
и благодаря ферментам можем менять то, что написано природой,
или придумывать что-то своё.
Поэтому в следующий раз, когда вы будете на улице тёплой ночью
и увидите светлячка,
надеюсь, вы подумаете о ферментах.
Уже сегодня они делают для нас изумительные вещи.
И по своему замыслу,
завтра они смогут сделать нечто более удивительное.
Спасибо.
(Аплодисменты)
När jag växte upp i centrala Wisconsin, spenderade jag mycket tid utomhus.
På våren kunde jag känna den berusande doften av syren.
Om sommaren älskade jag eldflugornas skimrande glöd
när de surrade omkring under kvalmiga nätter.
På hösten var myrarna överfyllda med den lysande röda färgen av tranbär.
Även vintern hade sin charm,
med sin juliga bukett som reste sig från tallarna.
För mig har naturen alltid varit en källa till förundran och inspiration.
När jag gick vidare till forskarskolan inom kemi, och under senare år,
fick jag en djupare förståelse av naturen på molekylnivå.
Alla saker som jag nyss nämnt -
från doften av syren och tallar
till lysande röda tranbär och glöden av eldflugor -
har minst en sak gemensamt:
De är tillverkade av enzymer.
Som jag sa, växte jag upp i Wisconsin, och gillar självklart ost
och fotbollslaget Green Bay Packers.
Men låt oss prata om ost en stund.
Under de senaste 7 000 åren
har människan utvunnit olika slags enzymer
ur kors, fårs och getters magar
och tillsatt dem i mjölk.
Detta får mjölken att koagulera
vilket är en del av osttillverkningsprocessen.
Det viktigaste enzymet i blandningen kallas kymosin.
Jag vill visa er hur det funkar.
Här har jag två provrör, och kommer att lägga till kymosin i det ena.
Ett ögonblick bara…
Min son Anthony, som är åtta år gammal,
ville gärna hjälpa mig komma på ett experiment för TED-föredraget.
Så vi var i köket, och skar upp ananas,
extraherade enzymer från röd potatis,
och gjorde alla slags experiment.
Till slut tyckte vi att kymosinexperimentet
blev rätt häftigt.
Det som händer här
är att kymosinet simmar runt i mjölken,
och binder till ett protein som kallas kasein.
Vad det gör sen är att det klipper kaseinet,
det fungerar som en molekylär sax.
Det är själva klippfunktionen som gör att mjölken koagulerar.
Här är vi i köket och jobbar på detta.
Okej.
Jag sätter snabbt på locket
och lägger sedan rören åt sidan för att låta dem puttra i någon minut.
Okej.
Om DNA är livets instruktionsmanual
så är enzymerna arbetarna som fullföljer dess instruktioner.
Enzymet är ett protein som är en katalysator;
det påskyndar eller accelererar en kemisk reaktion,
precis på samma sätt som kymosinet här påskyndar mjölkens koagulering.
Men det handlar inte bara om ost.
Medan enzymer spelar en viktig roll för livsmedlen vi äter,
är de också involverade i allt från ett spädbarns hälsa
till att tackla de största miljöutmaningarna
vi har idag.
Enzymernas grundläggande byggstenar kallas för aminosyror.
Det finns 20 vanliga aminosyror
som vi brukar förse med en bokstavsbeteckning,
så det finns ett helt alfabet av aminosyror.
I ett enzym är dessa aminosyror hoplänkade
som pärlor i ett halsband.
Och det är faktiskt det som utgör aminosyrornas identitet:
Det är bokstavskombinationen i halsbandet,
ordningen de förekommer i, samt vad de stavar till,
som ger enzymet sina unika egenskaper och särskiljer det från andra enzymer.
Den här strängen av aminosyror, detta halsband,
vecklas ut i ett övergripande mönster.
Om man skulle zooma in på den molekylära nivån
och ta en titt på kymosinet, enzymet som jobbar här borta,
skulle det se ut så här.
Det är alla dessa trådar, öglor och spiraler vridna åt olika håll
som måste ha just denna form för att fungera korrekt.
Numera kan vi skapa enzymer i mikrober,
vilket exempelvis kan vara bakterier eller jäst.
Sättet vi gör det på är att ta en bit DNA
som innehåller ett enzym vi är intresserade av,
sätter in enzymet i mikroben,
och låter mikroben använda sitt eget system, sina egna resurser,
för att tillverka enzymet åt oss.
Vill man framställa kymosin behövs ingen en kalv nuförtiden,
det kan utvinnas ur en mikrob.
Och vad som är ännu häftigare, tycker jag,
är att vi nu helt kan anpassa DNA-sekvenser
för att skapa alla enzymer vi vill,
sådana som inte finns ute i naturen.
Och för mig är det den riktigt roliga biten:
att försöka designa ett enzym för nya användningsområden
genom att arrangera om atomerna.
Att ta ett enzym från naturen och mecka med aminosyrorna,
pilla med deras bokstäver,
och lägga till och ta bort några bokstäver,
kanske arrangera om dem lite grann,
är ungefär som att hitta en bok
och redigera några kapitel eller ändra på slutet.
År 2018 delades Nobelpriset i kemi ut
för utvecklingen av denna metod,
vilken kallas "riktad evolution".
Numera kan vi utnyttja krafterna i riktad evolution
till att designa enzymer för anpassade ändamål.
Ett av dessa är att utforma enzymer för nya tillämpningsområden, som tvätt.
Precis som att enzymerna i kroppen
kan hjälpa dig bryta ner maten du äter
kan enzymer i tvättmedlet
hjälpa dig bryta ner fläckarna på dina kläder.
Det visar sig att runt 90 procent av energin
som går till tvätt kommer från vattenuppvärmningen.
Och det är av goda skäl -
det varma vattnet hjälper till att göra dina kläder rena.
Men tänk om du kunde tvätta i kallt vatten istället?
Du skulle definitivt spara en slant, och utöver det,
visar beräkningar gjorda av Procter and Gamble
att om alla hushåll i USA skulle tvätta i kallt vatten,
skulle vi minska utsläppen med 32 ton koldioxid per år.
Det är mycket, och motsvarar ungefär
koldioxidutsläpp från 6,3 miljoner bilar.
Så hur skulle vi gå tillväga med att designa ett enzym
för att förverkliga sådana förändringar?
Enzymer har inte utvecklats för att rengöra smutsig tvätt,
än mindre i kallt vatten.
Men vi kan gå till naturen för att finna en utgångspunkt.
Vi kan hitta ett enzym med vissa förutsättningar,
en bas som vi kan jobba med.
Här är exempel på ett sådant enzym på skärmen.
Och vi kan börja mecka med aminosyrorna, som jag nämnt:
genom att lägga till några bokstäver, ta bort andra och ordna om dem.
Genom att göra det kan vi generera tusentals enzymer.
Vi kan ta enzymerna,
och testa dem i små plattor som dessa.
Plattan som jag håller i mina händer
innehåller 96 brunnar.
I varje brunn finns ett tygstycke med en fläck på.
Vi kan mäta hur effektivt varje enzym
kan ta bort fläckarna från tygstyckena
och på så sätt se hur bra det fungerar.
Vi kan göra det här med hjälp av robotik,
som du strax får se på skärmen.
Okej, när vi gör detta visar det sig
att en del av enzymerna
hamnar rätt nära utgångsenzymet.
Det är inget att hänga i granen.
Vissa är värre, så vi gör oss av med dem.
Andra är bättre.
De förbättrade enzymerna blir vår version 1.0.
Det är enzymerna som vi vill förädla,
och denna cykel kan upprepas om och om igen.
Det är upprepningen av cykeln som låter oss komma på ett nytt enzym,
något som kan göra det vi vill.
Och efter flera sådana cykler,
uppfann vi faktiskt något nytt:
Du kan gå till stormarknaden idag och köpa ett tvättmedel
som låter dig tvätta i kallt vatten tack vare enzymer som de här.
Jag vill visa er hur tekniken fungerar.
Jag har ytterligare två rör här,
som båda innehåller mjölk igen.
Låt mig demonstrera:
Jag har ett rör som jag ska hälla enzymet i
och ett annat där jag blandar i vatten - det är kontrollprovet,
där inget förväntas hända.
Du kanske är nyfiken på varför jag gör detta med mjölk.
Det beror på att
mjölken är full av proteiner
och det är väldigt enkelt att se hur enzymet funkar i en proteinlösning
för att det är en mästare på att klippa proteiner,
det är dess uppgift.
Låt mig lägga till enzymet här.
Som ni vet, är det som sagt en mästare på att klippa proteiner.
Det man kan göra är att föra över enzymets effekt i den här mjölken
till vad det kan göra med din tvätt.
Det är ett sätt att föreställa sig vad som kan hända.
Okej, nu har båda hällts i.
Och jag kommer att ge dem en snabb omskakning också.
Vi låter dem stå här borta med kymosinprovet
och återkommer till dessa senare mot slutet.
Hur ser utsikterna ut för enzymdesign?
Framstegen kommer bli snabba.
Det finns nu strategier för att utveckla enzymer
som låter forskare hantera betydligt fler prover
än jag precis visat er.
Och förutom att pilla med naturliga enzymer,
som vi har pratat om,
försöker vissa forskare nu utforma enzymer från grunden,
genom att använda maskininlärning, en metod från artificiell intelligens,
för att förbättra sin enzymdesign.
Det finns också de
som lägger till onaturliga aminosyror i blandningen.
Vi nämnde tidigare de 20 naturliga aminosyrorna,
de vanliga aminosyrorna.
Forskarna lägger till onaturliga aminosyror
för att utforma enzymer med egenskaper som inte finns i naturen.
Det är ett rätt spännande område.
Hur kommer designade enzymer att påverka dig framöver?
Jag vill fokusera på två områden:
människohälsa och miljö.
Vissa läkemedelsföretag
har nu forskarlag som ägnar sig åt att designa enzymer
för effektivare tillverkning av läkemedel med färre giftiga katalysatorer.
Januvia, till exempel,
vilket är ett läkemedel som används
för att behandla diabetes typ 2, framställs delvis av enzymer.
Antalet läkemedel tillverkade med enzymer kommer säkert att öka i framtiden.
Inom andra områden finns det vissa sjukdomar
där ett enstaka enzym i kroppen inte fungerar som det ska.
Ett exempel på detta kallas fenylketonuri,
som förkortas PKU.
Människor med PKU kan inte smälta eller bryta ner fenylalanin ordentligt,
vilket är en av de 20 vanliga aminosyrorna som vi har pratat om.
Ett intag av fenylalanin för människor med PKU medför
att de riskerar drabbas av mental utvecklingsstörning med bestående men.
Så det är något läskigt att ha.
Ni med barn -
vilka av er har barn här?
Det är många.
Ni kanske känner till PKU
eftersom alla spädbarn i USA måste testas för sjukdomen.
Jag minns när min son Anthony blev testad för det genom hälen.
Sjukdomens stora utmaning är vad man ska äta.
Fenylalanin finns i så många livsmedel; det är otroligt svårt att undvika.
Anthony har nötallergi, vilket jag tyckte var tufft,
men PKU är långt mycket svårare.
Däremot kan nya enzymer snart göra det möjligt för PKU-patienter
att äta vad de vill.
Nyligen godkände Livsmedelsverket ett enzym utformat för att behandla PKU.
Det är stora nyheter för patienter,
och överlag ett stort framsteg
för enzymersättningsbehandlingar
eftersom det finns fler områden där detta skulle vara en bra metod.
Det var alltså lite om hälsa.
Nu ska jag gå vidare till miljön.
När jag läser om plastberget i Stilla havet
– som förresten är en enorm plastö
någonstans mellan Kalifornien och Hawaii –
och om mikroplast nästan överallt,
är det upprörande.
Plasten försvinner inte så snabbt.
Men enzymer kan hjälpa oss även i detta område.
Nyligen har man upptäckt bakterier som producerar plastnedbrytande enzymer.
Det görs redan försök att designa förbättrade versioner
av enzymerna.
Samtidigt finns det enzymer som har upptäckts och förädlas
för att skapa biologiskt nedbrytbar plast som inte är oljebaserad.
Enzymer kan också hjälpa att fånga växthusgaser,
som koldioxid, metan och dikväveoxid.
Det medför tveklöst stora utmaningar
och ingen av dem är lätt.
Men vår förmåga att utvinna enzymer kan hjälpa oss
att ta itu med dem i framtiden.
Så jag tror att det är ett annat område att se fram emot.
Nu går jag tillbaka till experimenten,
den roliga biten.
Vi börjar med kymosinproven.
Jag lägger dem här.
Här kan man se
att detta är röret som fick vattnet
så ingenting borde hända med den här mjölken.
Här är röret som fick kymosinet.
Man kan se att det är helt klart upptill.
Den stelnade biten är ost -
vi har just framställt ost på några minuter.
Det är en kemisk reaktion
som människor har framkallat i tusentals år.
Jag tror vi ska göra experimentet
på vår nästa uppvisning för "Barn med på jobbet-dagen",
men de kan vara en tuff publik, så vi får se.
Här är det andra provet jag vill titta på.
Det här är enzymet som används för tvätt.
Det skiljer sig från provet med tillsatt vatten.
Det agerar upplösande -
precis den effekt man önskar att enzymet ska ha på tvätten
då man vill ha ett enzym
som kan sluka upp proteinet.
Klädfläckar, som chokladmjölk eller gräsfläckar,
består av olika proteiner
och något sådant kommer hjälpa en få bort dem.
Det kommer också att möjliggöra
tvätt i kallt vatten, minskning av koldioxidavtrycket
och besparing av lite pengar.
Vi har kommit långt
med tanke på den sjutusenåriga resan från enzymer i osttillverkning
till nutid och enzymutformning.
Vi står verkligen i ett nyskapande skede
där vi med med enzymer kan ändra på naturens manual
eller skriva ner våra egna instruktioner för aminosyror.
Så nästa gång du är ute en varm natt
och får syn på en eldfluga
hoppas jag att du tänker på enzymer.
De gör fantastiska saker för oss idag.
Och med enzymutformningen
skulle de kunna göra större underverk imorgon.
Tack.
(Applåder)
我在威斯康星州中部长大， 曾在户外度过很多时光。
春天，四周满溢着 令人心动的丁香的香气。
夏天，萤火虫的点点亮光
在闷热潮湿的夜里摇曳。
秋天，泥塘里满是 鲜红的蔓越莓。
哪怕冬天都有自己别致的魅力，
松树上装点着圣诞花束。
对于我来说，自然一直是 神奇与灵感的源泉。
当我开始攻读化学研究生， 以及在后来的岁月里，
我从分子层面 对自然有了更深入的了解。
我刚刚所提到的一切，
从丁香和松树的香气
到蔓越莓的鲜红和 萤火虫的亮光，
它们都至少有一个共同之处：
是酶创造了它们。
刚提到我在威斯康星州长大， 我喜欢芝士再自然不过了，
当然还有绿湾包装工 橄榄球队。
但让我们先谈谈芝士。
在过去至少 7000 年里，
人们从牛、绵羊和山羊的胃里
提取出了多种酶的混合物，
并把它们添加到牛奶里，
让牛奶凝固—— 这是制作芝士的环节之一。
在这个混合物中起关键作用 的酶叫凝乳酶。
我想给大家展示一下 它的作用原理。
在这里我有两支试管，
我要往其中一支加入凝乳酶，
稍等一会儿。
我儿子安托尼今年 8 岁，
他很热心帮我为这场演讲 准备实验展示环节。
我们在厨房里切菠萝，
从红皮马铃薯提取酶，
在厨房里做了各种实验。
最终，
我们觉得凝乳酶的实验 非常厉害。
在这支试管中，
凝乳酶正在牛奶里畅游，
它在和里面的酪蛋白结合。
然后它把酪蛋白剪开——
就像是一把分子剪刀。
正是这个剪开的动作 促使牛奶凝固。
我们就像这样在厨房里实验。
好了。
让我快速地摇晃一下。
然后把它们放到一边， 反应一会儿。
好了。
如果说 DNA 是生命的蓝图，
那么酶就是执行 DNA 指令的劳动者。
酶是一种蛋白， 也是一种催化剂，
它能加快化学反应速率，
就像这里的凝乳酶 能让牛奶加速凝固。
可这并不仅仅可以 用于芝士的制作。
酶在我们的食品中 也起着关键的作用，
而且在其他情况下， 从婴儿的健康
到克服目前最大的环境挑战，
它同样功不可没。
酶的基本构成单位叫氨基酸。
一共有 20 种常见的氨基酸，
我们通常用单个字母的缩写 来给他们命名，
就像是氨基酸的字母表。
在某种酶中，这些氨基酸 如同项链上的珍珠那样，
被串联在一起。
氨基酸的种类，
也就是项链上的字母，
及其排列、拼写的顺序，
赋予了某种酶独特的属性， 将其与其他酶区分开来。
接着，这些氨基酸，
这个氨基酸项链，
折叠起来形成了更高级别的结构。
如果你放大到分子大小，
看看处于活跃状态的凝乳酶，
你会看见它的样子是这样的。
线状，环形，螺旋，扭曲，旋转，
酶必须在这样的形态下才能起作用。
现在我们可以利用微生物制造酶，
可以是细菌，或酵母菌。
我们通过截取一小段 DNA，
也就是我们感兴趣的酶的代码，
再把它放进微生物中，
让微生物用其自身的功能， 自身的原料，
来为我们制作出酶。
所以现在如果你需要凝乳酶， 再也不需要一头小牛犊了——
大可从微生物中得到。
我认为更棒的是，
我们可以插入完全定制的 DNA 序列
来制作出我们想要的，
非天然存在的任意的酶。
对于我来说通过排列原子
来设计一种酶，带来新的应用，
才是真正有趣的地方。
从自然界中提取一种酶， 然后尝试这些氨基酸的各种组合，
对那些字母进行修修补补，
插入一些，抽走一些，
或许再调整一下序列，
有点像是拿来一本书，
编辑几个章节或者改写它的结局。
在 2018 年，诺贝尔化学奖
就被颁发给了 针对这种方法的开发工作，
叫做“定向进化”。
现在我们可以利用定向进化的力量
任意地设计酶，
其中一个方面 就是把酶的设计应用到新的领域，
比如说洗衣服。
就如大家体内的酶
可以帮助你分解吃过的食物，
在你的洗衣液中的酶
有助于分解衣物上的污渍。
有调查表明，用于洗衣的
90% 的能量
花在了水的加热上。
这是有原因的——
水温更高有助于清洁衣物。
但是如果你可以用冷水 达到同样的效果呢？
那肯定能省下不少钱，
除此之外，
根据宝洁公司的一些研究，
如果美国的所有家庭 都用冷水进行洗涤，
我们每年能减少 32 公吨的二氧化碳排放。
这可不是一个小数目啊，
相当于
630 万量汽车的碳排放量。
那么我们怎样设计酶
来实现这一转变呢？
酶不会自己进化到 拥有清洁脏衣物的能力，
更不要说在冷水中。
但是我们可以求助于自然， 找到着手点。
我们可以找到一种 带有起始活动的酶，
就像可以被加工的一些黏土，
屏幕上显示的正是这样的一种酶。
就如我刚提到的， 我们可以从这些氨基酸入手，
插入一些，抽走一些，
重新安排序列。
通过这些操作， 我们可以制造成千上万种酶。
我们可以拿出这些酶，
在这样的小碟子上进行测试。
我手上拿着的这只盒子
上面有 96 个槽，
每个槽里面有一块 沾有污渍的布料。
我们可以测量每一种酶
对于去除布料上污渍的效果，
那样就可以知道它们是否有效。
我们可以借助机器人 来实现这一操作，
待会儿大家可以在屏幕上看到。
那么，我们做了这个实验，
结果一些酶落在
起始酶的候选范围中。
这并没什么值得大书特书的。
一些表现很差， 于是被我们淘汰了。
一些表现得还不错。
那些经改良的酶 成为了我们的 1.0 版本。
它们是我们想要继续研究的酶，
我们可以一遍又一遍地 重复这个过程。
这些循环让我们 制造出了一种新的酶，
可以帮助我们实现目标的酶。
在多次循环之后，
我们制造出了一种新的东西。
现在你可以到超市里 买到这种洗衣液，
里面就有这样的酶， 能在冷水中清洁衣物。
接着我想给大家展示其中的原理。
我有两支试管，
里面还是牛奶。
看好了，
我要往其中一支加入这种酶，
往另外一支加一些水。
作为控制组，
应该不会有任何的变化。
你也许会好奇为什么 我用牛奶来做实验。
我这么做的原因
是因为牛奶里有大量的蛋白质，
在蛋白质溶液里 更容易观察到酶的作用，
因为它是一种厉害的蛋白质剪刀手，
天职所在。
我现在放它进去了。
就如我刚说的， 这是一把厉害的蛋白质剪刀手，
现在你可以推想一下 它跟牛奶会发生什么反应，
它跟你的脏衣服 就有可能产生什么反应。
我们在将这个过程可视化。
好了，现在两个试管准备好了。
我再来快速摇晃一下。
现在把这两个试管跟凝乳酶 样本放到一边。
临近尾声的时候我再谈谈它们。
那么酶设计的前景如何呢？
可以肯定的是， 它的发展会越来越快——
现在有各种促使酶进化的手段，
能让研究员研究更多的样本
比我刚展示的多得多。
除了我们刚刚谈到的，
对自然界的酶进行修修补补之外，
一些科学家正着手利用机器学习——
一种人工智能的方法—— 从零开始设计酶，
并了解酶设计的进展。
其他人则是添加 一些非天然的氨基酸。
我们刚谈到 20 种天然的氨基酸，
常见的氨基酸——
有些科学家通过添加 非天然的氨基酸
来制造出拥有跟自然界被发现的酶 不一样属性的酶。
那是个相当高明的领域。
那么人工设计的酶 在未来对你有什么影响呢？
我想重点谈谈两个方面：
人类健康以及环境。
一些医药公司
已经有专门设计酶的团队，
用更少的有毒催化剂 来更高效地生产药物。
举个例子，西他列汀
是一种用来治疗 二型糖尿病的药物，
它的一部分成分是酶。
含有酶的药物数量 在未来肯定会有所增长。
另一方面，
对于某些失调性的疾病，
单一酶在病人体内不能正常工作。
其中一个例子是苯丙酮尿症，
或者简称 PKU。
苯丙酮尿症病人不能正常地 代谢或消化苯丙氨酸，
那是我们刚刚提到的 20 种常见氨基酸的一种。
苯丙酮尿症病人 无法消化苯丙氨酸的后果是，
他们会患有永久的智力残疾，
那是非常可怕的疾病。
在座为人父母的观众——
在座的有孩子吗？
有很多啊。
你们也许对 PKU 挺熟悉的，
因为在美国，所有婴儿 都被要求进行 PKU 检测。
我记得我儿子安托尼接受检测的时候， 脚后跟被扎了一下。
这后面最大的挑战是： 你能吃什么？
很多食物都含有苯丙氨酸， 几乎避无可避。
安托尼对坚果过敏， 我已经觉得够受的了，
但是 PKU 的严重度 可是另一个级别的。
然而新的酶可能很快 能让苯丙酮尿症病人
敞开怀抱去吃东西。
最近，美国药物总局刚批准了 被设计用来治疗 PKU 的酶。
对病人来说是特大喜讯，
对酶替代疗法的领域
同样是特大喜讯，
因为对于其他目标病症来说， 这也可能是个好的方法。
有关健康的话题就到这里。
接下来我想谈谈环境。
当我了解到大太平洋垃圾带的时候——
顺便解释一下， 那就像是一个塑料巨岛，
就在加州和夏威夷之间某个地方——
微塑料几乎无处不在，
实在令人不安。
塑料可不会很快就消失掉。
但是酶可能在这个领域帮到我们。
最近，人们发现了 由细菌产生的塑料降解酶，
并已经在努力设计
和改良这些酶。
与此同时，人们还发现
并优化了
不以石油为原料的可生物降解塑料。
酶也可能有助于吸收温室气体，
比如说二氧化碳、 甲烷和一氧化二氮。
毫无疑问，这些是我们 面临的主要挑战，
且都很困难。
但是我们运用酶的能力 可能有助于在未来克服这些挑战，
我认为这是值得期待 的另一个领域。
现在我要回到演示部分——
见证奇迹的时刻到了。
我们先从凝乳酶样本开始吧。
让我把它们拿过来。
你可以看到，
这是加了水的，
牛奶不应该有任何变化。
这是加了凝乳酶的。
你可以看到上面的部分变清了。
下面凝固的部分，就是芝士。
我们刚在短短几分钟内制作出了芝士。
这就是
我们做了几千年的事情。
我打算在我们下一个 《带孩子上班日》中做这个实验，
但那可能会是一批挑剔 的观众，走着瞧吧。
（笑声）
另外一组结果在这里。
这是帮你清洁衣物的酶。
你可以看到跟加了水的那个不一样。
它变得有点清了，
这就是你洗衣服的时候想要的效果，
因为你需要一种酶，
能够像一头蛋白质猎犬那样 把蛋白质咬碎，
因为衣服上有不同的蛋白质污渍，
比如说巧克力牛奶或草污渍，
这种酶能帮你干掉这些污渍。
它也能让你
在冷水中洗净衣物，减少碳足迹，
还能帮你省钱。
这一切来之不易，
想想从 7000 年 传统的芝士制作到
今天的酶设计。
我们此刻正站在创造的十字路口，
有了酶，我们可以编辑 自然已经写下的篇章，
或者用氨基酸 来谱写我们自己的故事。
那么下次你在闷热潮湿的夜里 外出的时候，
当你看到一只萤火虫，
我希望你能想起酶。
它们在今天为我们做出了 很多突出的贡献。
通过设计，
在未来它们会变得威力无穷。
谢谢大家。
（掌声）
我在威斯康辛州中部長大 很常待在戶外
春天時，我會聞聞 紫丁香醉人的花香
夏天時，螢火蟲 在悶熱的夜晚疾疾飛行
發散出閃閃火光，深得我心
秋天時，鮮紅色的莓果佈滿了泥塘
即使是冬天
松樹散發聖誕節氣息也令人陶醉其中
大自然總是令我感到驚奇 又處處充滿靈感
我一路讀到化學研究所，幾年過後
我對於大自然的分子結構 瞭解愈加詳細
我剛提到的事物
從紫丁香和松果的香氣
到莓果的鮮紅色澤、螢火蟲的閃爍光點
都至少有一個共通點：
全都是酵素作用後的結果
我剛提到，我在威斯康辛州長大
所以當然很愛吃起司 也支持綠灣包裝工
我們接著來聊聊起司
少說 7,000 年前開始
人們就從乳牛、綿羊、山羊 這些動物的胃裡
萃取出綜合類型的酵素
接著加進乳品裡
乳品會因此凝結
這便是製作起司的環節之一
當中的關鍵酵素是凝乳酶
讓我帶著大家看看如何運作
這裡有兩根試管
接著在其中一根試管中加入凝乳酶
然後稍待一下
我兒子叫安東尼 ，今年八歲
他一直在幫我想辦法
如何在這次的 TED Talk 做示範
所以我們在廚房花了點時間
切了鳳梨
又從紅薯中提煉了酵素
試了好多不同的方法
最後我們決定
用凝乳酶來示範再有趣不過了
在這根試管裡
凝乳酶在牛奶中四處遊走
吸附其中一種蛋白質，名為酪蛋白
凝乳酶就像是一把分子剪刀
會切斷酪蛋白
正是這個切斷的動作讓牛奶凝結
我們那時在廚房就是在忙這件事
好的
我先把試管封上
接著放在旁邊醞釀一陣子
好的
若說 DNA 是生命的藍圖
那酵素便是執行指令的勞工
酵素這種蛋白質是催化劑
能讓化學反應加速
像是這邊的凝乳酶 正在讓牛奶更快凝結
起司只是其中一個例子
酵素不僅對食物來說很重要
在其他地方更是隨處可見
像是維持嬰兒健康或 打擊現今最棘手的環境問題
酵素的基本結構是胺基酸
常見的胺基酸有 20 種
通常用個別字母縮寫來命名
所以胺基酸種類 其實就像是英文字母
酵素裡的胺基酸相互串在一塊
如珍珠項鍊一般
每種酵素的特性和相異之處
取決於這條項鍊裡有哪些字母
還有這些字母的排列順序 和拼出來的樣子
這一串胺基酸
或說這一串項鍊
會摺疊成更繁複的結構
如果把凝乳酶放大到分子大小
也就是此處的酵素
會是長這個樣子
滿是纏繞的線段和扭曲的螺旋
並且一定得要是如此結構
酵素才能正常運作
現代科技能透過細菌或酵母
這樣的微生物製造酵素
要製作我們有興趣的酵素時
需要擷取酵素原出處的 DNA
將其植入微生物之中
接著微生物會用自身的機制
為我們製造出酵素
所以如果今天需要凝乳酶
就再也不需要一整頭牛
只需微生物即可
我認為更有趣的是
現在我們可以植入 任何特製的 DNA 序列
我們也能創造出來
大自然中沒有的酵素
對我來說，真正好玩的地方是
試著設計出有新用途的酵素
排列著微小的物質
從大自然取得酵素、 任意移動胺基酸、
修飾那些英文字母、
把一些字母放進去、又取一些出來
或是稍微更動順序
這些動作就好像是找一本書來
接著改編一些章節或修改結局
2018 年，諾貝爾化學獎就是頒發給
發展相關技術的科學家
這項技術也稱為定向進化
現今人們可以操控定向進化
為了特定目的設計酵素
其中也有些設計能應用在新的領域
像是洗衣服這件事
就像是身體裡的酵素
幫忙分解吃下去的食物一樣
洗衣精裡的酵素
會幫忙分解衣服上的污漬
其實洗衣服消耗的能源
有百分之九十都用在加熱
這其實不無道理
熱一點的水能讓衣服更乾淨
但是如果用冷水就能把衣服洗乾淨呢？
那絕對會省下一筆錢
除此之外
根據寳鹼公司的計算結果
如果全美國的家庭都用冷水洗衣服
每年能減少排放 32 公噸的二氧化碳
這是個龐大的數字
大約相當於六百三十萬輛汽車的排放量
那我們該如何設計酵素
來讓這些改變實現呢？
酵素並沒有進化出洗衣服這個功能
更別說用冷水洗了
但若是在大自然找找 還是能發現出發點
我們在黏土中找到一種酵素
能有初步的反應
螢幕上是個例子
我剛提到，我們可以操縱這些胺基酸
把一些字母放進去、取一些出來
或是更動順序
如此能製造出數以千計種類的酵素
我們可以把這些酵素
放在細胞培養盤中
我手中的這一個
有 96 個細胞培養孔
每個培養裡都放進了一塊布料
上頭沾有污漬
我們便能夠測量，哪幾種酵素
比較能夠把污漬從布料除去
藉由這個方法 便能瞭解酵素是否有效
我們也能應用自動化技術
像是螢幕上這樣
我們發現有些酵素
跟一開始相比沒什麼進展
這樣就是無特別之處
有些表現得更糟 所以我們也拿掉了
有些表現得很好
這些成效較佳的酵素 便是我們的第一個版本
我們會繼續研究這些酵素
也會持續重複這些步驟
這樣的循環讓我們能找出新的酵素
且能達到我們想要的目的
經過幾番嘗試後
我們真的有所發現
而就是因為這些酵素
現在超市可以買到冷衣精
我想讓各位看看這一組酵素
跟剛剛的牛奶實驗相同
這邊有兩根試管
這一根試管我加了酵素進去
這一根裡面只有水
也就是對照組
試管裡什麼事都不會發生
你也許覺得用牛奶示範很奇怪
原因是牛奶有豐富的蛋白質
而因為酵素的主要工作 便是切斷蛋白質
在蛋白質溶液中 要觀察酵素作用容易許多
我把這倒進來
我剛說酵素很擅長切斷蛋白質
所以能推斷酵素在洗衣服時
跟在牛奶裡會有一樣的效果
所以這個方法讓大家
能想像洗衣服時會發生什麼事
倒進去之後
把試管封起來
跟剛剛的牛奶實驗一樣靜置一會
最後再帶大家看結果
目前設計酵素的能力到哪了呢？
進展一定會越來越快
如今要讓酵素進化有很多方法
跟今天的實驗相比
研究人員會有遠遠更多樣本做實驗
除了我們剛提到
能修補天然的酵素之外
科學家目前正嘗試設計全新的酵素
利用人工智慧的機器學習能力
找到設計方向
另外也能加入不那麼尋常的胺基酸
我們剛有提到 20 種 常見的天然胺基酸
那些不尋常的胺基酸並非天然的
酵素因此會擁有 自然界物質缺少的特性
這個領域很有發展性
那這些設計出來的酵素 未來對各位會有什麼影響呢？
主要有兩個部分：
人體健康和自然環境
有些製藥商佈署了團隊
致力設計酵素
讓藥物更有效 並且減少使用有毒的催化劑
像是 Januvia
這種治療第二型糖尿病的藥物
就有些部分是用酵素製造
未來想必會有更多藥物使用酵素生產
其他領域也是如此
有些疾病是源自 病人體內的酵素出了問題
苯丙酮尿症就是個例子
患有此疾病的病患
無法代謝或消化苯丙胺酸
但苯丙胺酸又正好 在那 20 種常見的胺基酸之中
苯丙酮尿症病人若是攝取到苯丙胺酸
智力容易會出現缺陷
這種疾病非常可怕
所以家長—
這邊有多少人有小孩？
很多人都有
因為美國規定嬰兒需要 經過苯丙酮尿症檢測
所以各位可能對此有所瞭解
我還記得我兒子檢測時 腳跟被扎了一針
這件事情棘手在於飲食
很多食物含有苯丙胺酸，難以避免
我兒子對花生過敏 這件事我非常頭痛
苯丙酮尿症麻煩更是難以想像
然而，新的酵素
也許很快能讓 苯丙酮尿症病人盡情吃喝
最近美國食品藥品監督管理局（FDA）
核准一款酵素，來治療苯丙酮尿症
這對病人來說是天大的好消息
對酵素替代療法領域亦是如此
因為許多問題仍亟待 靠著這個方法解決
以上是健康方面的例子
接著說說環境問題
我之前讀到太平洋垃圾帶
也可以說是加州和夏威夷之間
有一座大型塑膠島
還有到處都有微塑膠
不免感到難過
塑膠問題短期之內無法解決
但酵素也許可以使上一些力
近期人們發現有一種細菌
能製造酵素、分解塑膠
大家也正盡力設計出 這種酵素更好的版本
同時，我們不僅發現了一些酵素
還做出改良
這些酵素能夠製造出 非石油製、可生物分解的塑膠
酵素也許還能在捕捉溫室氣體時
助我們一臂之力
像是二氧化碳、甲烷和一氧化二氮
解決這幾個問題很明顯是當務之急
也無不棘手
不過操縱酵素的能力
未來也許能 讓解決這些問題更容易
我認為在這領域，酵素大有前途
現在請各位看看剛才的示範
這才是有趣的地方
我們先從凝乳酶開始
我拿到這邊來
各位可以看到 這一根試管裡是水
所以牛奶沒有任何變化
這一管裡面有凝乳酶
各位可以看到裡面變得非常清澈
這些凝固的東西就是起司
在短短幾分鐘裡，我們就做出起司了
人們幾千年來就是一直 在應用這個化學反應
我下一次辦公室親子日 也想做這個實驗
不過小孩很難取悅，到時候再看看吧
（笑聲）
我們接著看這一根試管
這是洗衣服用的酵素
各位應該能看到 跟裝水的試管有所不同
裡面也變得很清澈
各位洗衣服時想必也希望如此
我們都希望酵素是大胃王
吃掉所有蛋白質
因為衣服上的污漬就是各種蛋白質
像是巧克力牛奶、青草污漬
這種類型的酵素 可以幫忙洗掉那些污漬
也能讓你用冷水洗衣服
減少碳足跡、又省錢
人類研究酵素有非常久的歷史
想想 7000 年前 就開始用酵素做起司
到今天設計酵素的技術
我們正位於創意的轉捩點
我們能以酵素改寫大自然
甚至利用胺基酸創造出自己的故事
所以改天某個悶熱的夜晚
各位走出屋外，看到螢火蟲
希望各位會想到酵素
幫了我們很大的忙
透過設計，酵素未來還會有更多成就
謝謝
（掌聲）