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)