Pokušavati shvatiti život bez da ga gledate u akciji,
ravno je izvanzemaljcima koji pokušavaju shvatiti nogometna pravila
iz nekoliko slika utakmice.
Možemo mnogo toga saznati iz ovih slika.
Primjerice, imamo igrače na polju i izvan njega.
Imamo bend.
Imamo i navijačice koje se zabavljaju dok gledaju tekmu.
Ali, iako možemo izvući sve te informacije
iz ovih slika,
još uvijek ne možemo pomoću nje shvatiti pravila igre.
Kako bismo to izveli,
moramo zapravo pogledati cijelu utakmicu.
Mnogo onoga što znamo o tome kako život funkcionira
dolazi iz gledanja ovakvih slika.
Znanstvenici su uspjeli skužiti mnogo toga iz slika
ali u konačnici, ako žele shvatiti kako život funkcionira,
moraju ga gledati u akciji.
A život se u biti događa ovdje,
u pokušajima shvaćanja kako rade osnovne jedinice života.
A kako bismo mogli to vidjeti,
moramo shvatiti što život jest.
U usporedbi s ovim mravom,
ljudska stanica ima otprilike sto milijuna puta manji volumen.
Vidite li stanicu odmah do ovog mrava?
Evo je ovdje.
Da bismo promatrali tu stanicu,
moramo nevidljivo učiniti vidljivim,
a to radimo pomoću mikroskopa.
Ne ovih mikroskopa;
oni koje mi radimo izgledaju ovako nekako.
Pomaže što sam ja donekle paparazzi.
Umjesto da slikam ljude,
ja slikam slavne stanice.
Moja dosadašnja karijera
bila je dosta zavojita,
počinjući s mojom dječačkom opsesijom i strašću za računalne znanosti
koja je onda naglo skrenula u inženjerstvo,
da bi nedavno
ponovno oštro skrenula u proučavanje stanične biologije.
To je kombinacija disciplina
koja me dovela do mjesta na kojem sam sada.
Mogu provoditi interdisciplinarna istraživanja
s jednim jasnim ciljem.
Ideja je da unaprijedimo inovaciju i otkrića
spajanjem stručnjaka iz tih različitih disciplina
da bismo skupa riješili probleme koje ne možemo riješiti pojedinačno.
Želimo razumjeti stanicu.
Stanica... što je to?
Pa, to je osnovna jedinica života.
Jednostavno rečeno, to je samo vreća.
Vreća u kojoj je trilijun neživih molekula,
proteina, ugljikohidrata, lipida i masti.
U posljednjih pedeset godina
molekularni biolozi i biokemičari našli su načine
kako da natjeraju proteine da svijetle.
Poput krijesnica.
Proizvođači mikroskopa uspjeli su izraditi
sve bolje i bolje instrumente
kako bismo snimili svjetlo koje odašilju te molekule,
a kompjuterski znanstvenici i matematičari uspjeli su protumačiti
signale koje su kamere snimile.
Spajanjem tih oruđa,
počinjemo shvaćati organizaciju ovih molekula
unutar stanica,
kako se organizacija mijenja kroz vrijeme
i to je ono što nas zapravo zanima,
razumijevanje biti života.
Želimo prijeći sa slikanja života,
tradicionalno ograničenog na dvije dimenzije,
na slikanje života u tri dimenzije.
Kako pretvoriti dvodimenzionalnu sliku u trodimenzionalnu sliku?
Pa, zapravo je prilično jednostavno.
Skupite niz dvodimenzionalnih slika
uzorka koji se pomiče gore-dolje,
i onda složimo slike jednu na drugu,
i stvorimo trodimenzionalni volumen.
Problem s ovim pristupom je da tradicionalni mikroskopi
ispuštaju previše energije u sustav.
To znači da ova stanica koju vidite
prima mnogo svjetlosnog toksiciteta,
a to je problem.
Da malo bolje objasnim.
Na primjer,
recimo da se na ovom planetu život razvio pod samo jednim suncem, da?
Sad recimo da želim promatrati kupce na ovoj ulici
kako bih shvatio njihove potrošačke navike:
koliko se dugo zadržavaju pred izlozima,
u koliko dućana uđu,
koliko dugo ostanu u svakom dućanu.
Da sjedim u kafiću i promatram ljude,
nitko ne bi ni primijetio da ih promatram.
Sad, što ako ih odjednom
obasjam svjetlom ravnim, recimo,
svjetlu pet ili deset sunaca?
Bi li se i dalje ponašali normalno?
Bi li se i dalje zadržavali vani jednako dugo?
Uvjeravam li se da neće promijeniti ponašanje
zbog izlaganja tolikoj količini sunčeve svjetlosti?
Ne.
Većina današnjih mikroskopa,
i konvencionalnih mikroskopa,
ispuštaju između deset i deset tisuća puta jaču svjetlost od one
kojoj smo izloženi na ovom planetu na kojem se život zapravo razvio.
Zbog toga,
pa, budući da sam paparazzi za stanice,
zato moram paziti na količinu svjetla
kojom obasjavamo stanicu.
Inače ćemo završiti sa sprženom stanicom.
Ispada da nema
ničeg prirodnog u oštećenoj stanici
čije je ponašanje drastično promijenjeno.
Uzmimo ovu stanicu kao primjer.
Nalazi se na komadiću stakla.
Vidite ove točkice posvuda?
Te točkice su molekularni mehanizmi
koji se skupljaju na površini stanice
i prenose hranu iz okoline u stanicu.
Naš laboratorij koristi tzv. mikroskope s faznim kontrastom,
koji proizvodi vrlo tanak sloj svjetlosti,
pazeći da ne ošteti stanice
i ne ispusti previše svjetla u sustav.
Tim postupkom
možemo promatrati dinamiku procesa puno duže
bez preopterećivanja stanica.
Koristili smo tu mikroskopsku tehniku i instrumente
kako bismo bolje shvatili kako virusi zaraze stanice.
U ovom primjeru, izložili smo stanicu rotavirusu.
To je vrlo zarazni patogen koji godišnje ubije 200 000 ljudi.
Promatrajući ove molekule, ove virusne čestice,
kako se raspršuju na površini stanice,
možemo shvatiti pravila po kojima igraju.
Kad shvatimo ta pravila,
možemo ih nadigrati,
bilo putem inteligentnih terapija,
kako bismo ublažili, kontrolirali, ili čak spriječili virus
da se veže na stanicu.
Dakle, učinili smo nevidljivo vidljivim,
ali ostaje nam pitanje:
Kad možemo vjerovati onome što vidimo?
Sve što sam vam dosad pokazao
bila je stanica prikovana na staklo ili zarobljena u Petrijevoj zdjelici.
Ali stanice se nisu razvile na staklu, zar ne?
Nisu se razvile u izolaciji
i nisu se razvile izvan svog fiziološkog konteksta.
Kako bismo shvatili prirodno ponašanje stanice,
moramo ih promatrati u akciji na njihovom terenu.
Promotrimo ovaj složeni sustav.
Ovo je razvijajući embrij zebrice,
gledate stanice koje se organiziraju
kako bi izgradile tkiva, koja će graditi organske sustave.
Kad ponovno pogledamo film, vidjet ćete da nakon otprilike 20 sati
počinje formacija oka i repa zebrice.
Ne moramo promatrati ovo u tako niskoj rezoluciji,
možemo zabilježiti i najsitnije detalje,
i želimo promatrati ovo u tri dimenzije
tijekom minuta, sekunda, sati, ili čak dana.
Dakle, problem s ovim složenim sustavima
je da izmješamo svjetlost,
ili stanice izmiješaju svjetlost kojima ih obasjamo,
zbog čega dobijemo vrlo mutnu sliku.
Astronomi su imali isti problem,
ali se kod njih problem pojavio
kad su pokušavali snimiti svjetlost udaljenih zvijezda
na teleskopima na tlu.
Problem je da kad svjetlost prijeđe tisuće svjetlosnih godina
i naglo udari u našu turbulentnu atmosferu,
svjetlost se izmiješa.
Na sreću, i oni su našli rješenje za ovo
prije pedeset godina.
Generiraju umjetnu zvijezdu
otprilike 90 kilometara od Zemljine površine
i koriste njezino svjetlo,
koje prolazi kroz istu turbulentnu atmosferu kao i svjetlo daleke zvijezde,
tada mogu shvatiti kako se svjetlo miješa,
i uzmu zrcalo promjenjivog oblika
koje kompenzira ili poništava miješanje.
Mi smo uzeli njihove ideje
i implementirali ih u naš mikroskopski sustav.
Kad to napravite,
možete razjasniti to složeno miješanje
i mućenje do kojeg dolazi
zbog složenosti sustava.
I to radimo sa zebricama.
Volimo zebrice jer su kralješnjaci, poput nas.
Ali za razliku od nas, one su većinom prozirne.
To znači da kad ih obasjamo svjetlošću,
možemo promatrati stanične i podstanične dinamike
u izvanrednoj rezoluciji.
Pokazat ću vam primjer.
Ovaj video prikazuje kralježnicu i mišiće zebrice.
Možemo promatrati organizaciju stanice,
stotine stanice u ovom slučaju,
sa ili bez optičkih prilagodbi.
Ovim oruđem
možemo vidjeti jasnije nego ikad prije.
U ovom primjeru,
gledajući kako se razvija oko zebrice,
možete vidjeti pomutnju unutar ovog embrija zebrice.
Možete vidjeti stanice koje plešu okolo.
U ovom primjeru, vidite staničnu diobu.
U drugom primjeru,
vidite stanicu koja pokušava stići nekamo i gura se pokraj druge stanice.
U posljednjem primjeru, vidite skroz raspojasanu stanicu
koja mlati svoje susjede.
Zar ne?
Ova tehnologija nam omogućava da vidimo dublje i jasnije,
gotovo kao da promatramo pojedinačne stanice na staklu
za koje smo ih prikovali.
Kako bismo pokazali koliko je tehnologija obećavajuća,
udružili smo se s nekima od najboljih svjetskih znanstvenika.
Počeli smo postavljati niz osnovnih pitanja
na kojima upravo radimo.
Na primjer, kako se rak širi tijelom?
U ovom primjeru, vidite stanice raka dojke
kako migiriraju,
koristeći krvne žile koje su prikazane u ljubičastoj boji.
U biti koriste žile kao autoput
kako bi se kretale.
Vidite ih kako se guraju kroz žile,
kako se kotrljaju tamo gdje ima dovoljno prostora.
U jednom primjeru, vidite nešto što liči na trailer Ridleyja Scotta
za novi nastavak "Aliena."
Ova stanica raka doslovno pokušava prokopati kroz žilu
kako bi napala drugi dio tijela.
U posljednjem primjeru koji ću pokazati,
pokušavamo shvatiti kako se razvija uho.
U ovom slučaju, potpuno nas šišaju puzeći neutrofili.
Te su imuno-stanice stalno u patroli.
Nemaju ni minutu slobodnog vremena.
Neprestano pokušavaju prokljuviti ima li stranih stanica,
postoji li infekcija.
Osjećaju okolinu, stalno su u pokretu.
Možemo promatrati ove slike i videe
u rezoluciji koja nije bila moguća
sve do sada.
Kao i sa svim novim tehnologijama,
nove mogućnosti prate novi izazovi,
a za nas je najveći bio kako se nositi s količinom podataka.
Ovi mikroskopi proizvode tonu podataka.
Generiramo između 1 i 3 terabajta podataka na sat.
Da stavim to u kontekst: punimo dva milijuna disketa svaki sat,
za iskusnije članove naše publike.
(Smijeh)
To je kao otprilike 500 DVD-ova,
ili, za generaciju Z,
punim otprilike tucet iPhonea 11 na sat.
Imamo tonu podataka.
Moramo naći nove načine kako bismo vizualizirali to.
Moramo pronaći nove načine
kako izvući biološki relevantne informacije
iz tih skupova podataka.
I najvažnije,
moramo se pobrinuti da stavimo te napredne mikroskope
u ruke znanstvenika iz čitavog svijeta.
I dijelimo nacrte za te mikroskope besplatno.
Ali najbitniji dio je
da moramo još jače surađivati kako bismo postigli učinak.
Povezujemo znanstvenike
koji mogu razviti nova biološka i kemijska oruđa.
Radimo sa stručnjacima za podatke
i instrumentaciju
kako bismo izgradili i kontrolirali podatke.
I budući da dijelimo ta oruđa besplatno
za sve akademske i neprofitne organizacije,
također gradimo napredne centre u kojima ćemo ih staviti,
kako bismo mogli okupiti stručnjake za mikroskope,
biologe i komputaciju,
i formirati tim koji može riješiti one vrste problema
koje pojedinačno ne možemo.
Zahvaljujući ovim mikroskopima,
granica znanosti se opet pomiče.
Pa pogledajmo zajedno.
Hvala vam.
(Pljesak)