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)