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)