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)