سأخبركم عن أغرب ماكينات في العالم.
وما بوسعنا الآن فعله معها.
البروتينات،
بعضًا مما ترون داخل خليّة هنا،
إنها تضطلع بصفة أساسية بكل الوظائف المهمة في أجسامنا.
البروتينات تهضم طعامك،
تمشّق عضلاتك،
تحفّز أعصابك،
تقوّي جهازك المناعي.
كل شيء يحدث في علم الأحياء...
على الأغلب...
يحدث بسبب من البروتينات.
البروتينات هي سلاسل طولية تتشكل من وحدات بنائية تدعى الأحماض الأمينية.
في الطبيعة ألفبائية، تتكوّن من 20 حمضًا أمينيـًا.
البعض منها ربما سمعت به.
على سبيل القياس، في هذه الصورة، كل نتوء عبارة عن ذرة.
القوى الكيميائية بين الأحماض الأمينية تخلّف هذه الجزيئات القويّة الطويلة
لتلتئم في أشكال فريدة وثلاثية الأبعاد.
عملية الالتئام،
بينما تبدو عشوائية،
في الحقيقة هي غاية في الدقة والإحكام.
في كل مرة، يلتئم كل بروتين مع المُناظِر له في الخواص
وعملية الالتئام تأخذ فقط جزءًا من الثانية.
وتكوينها للبروتينات
الذي يمكّنها من الاضطلاع بوظائفها الحيوية المهمة.
على سبيل المثال،
الهِيمُوغْلُوبِين له شكلٌ في الرئتين ملائم تمامًا
لربط جزيء من الأكسجين.
حين ينتقل الهيموغلبين إلى عضلاتك،
يتغير الشكل بوضوح
ويخرج الأكسجين.
أشكال البروتينات،
ومن ثمّ وظائفها المهمة،
تتحدد كليًا من خلال اصطفاف الأحماض الأمينية داخل سلسلة البروتين.
في هذه الصورة، كل وحدة في الأعلى هي لحمض أميني.
أين تبدأ الاصطفافات؟
الجينات في سلسلتك الوراثية (الجينوم) تحدد نطاقات الحمض الأميني
للبروتينات الخاصة بك.
كل جين يرمُز لنطاق الحامض الأميني لكل بروتين مستقل.
إن التحوّل بين نطاقات الحامض الأميني هذه
وبين بنيوياتها، وبين مهام البروتينات
تُعرف بمشكلة التئام البروتين.
إنها مشكلة صعبة للغاية
لأن هنالك أشكالًا عدة متباينة يمكن أن يتخذها البروتين.
بسبب هذا التعقيد،
يصبح البشريون قادرين على الاستغلال الأمثل لقوة البروتينات
من خلال تعديلات بسيطة جدًا لنطاقات الحامض الأميني
للبروتين في صورته الطبيعية.
هذا شبيه بالعملية التي كان أسلافنا في العصر الحجري يستخدمونها
لصناعة الأدوات والأغراض الأخرى من القضبان والأحجار
التي نكتشفها في أنحاء العالم.
لكنّ البشر لم يتعلموا الطيران بإجراء تعديل في الطيور.
(ضحك)
عوضًا عن ذلك، العلماء، وبوحي من الطيور، توصلوا إلى مبادئ الديناميكا الهوائية.
ثم استخدم المهندسون تلك المبادئ لتصميم آلات الطيران.
وعلى نحو مشابه،
فإننا نعمل لعدد من السنين
لكشف المبادئ الأساسية لالتئام البروتين
وترميز تلك المبادئ في برنامج حاسوبي يُدعى (روزيتا).
لقد حققنا طفرة في السنين الأخيرة.
نستطيع الآن تصميم بروتينات جديدة بالكامل على الحاسوب من خلال مسحة.
بمجرد تصميم البروتين الجديد،
فإننا نرمُز لنطاق حامضِهُ الأميني في جين اصطناعي.
علينا أن ننجز جينًا اصطناعيًا
لأنه، وبمجرد أن يصير البروتين بالكامل جديدًا،
فلن يتواجد أي جين في أي عضو حيوي على الأرض من الموجود حاليًا.
إن إحرازنا لتقدّمات في فهم عملية التئام البروتين،
وكيفية تصميم البروتينات،
يتلازمان مع التقليل من كُلفة اصطناع الجين
وقانون (مور) يُزيد من قوة الحوسبة،
الآن، يُعطينا القدرة على تصميم عشرات الآلاف من البروتينات الجديدة،
مع الأشكال الجديدة والوظائف الجديدة،
على الحاسوب،
وترميز كل واحد من تلك في جين اصطناعي.
بمجرد أن نملك تلك الجينات الاصطناعية
نضعها في بكتريا
من أجل برمجتها، وتصنيع هذه البروتينات ذات "العلامة التجارية الجديدة."
ثم نستخلص البروتينات
ونقرر ما إذا كانت تعمل على نحو ما صممناها
وما إذا كان آمنة.
إنه لمن المثير أن تكون قادرًا على صنع بروتينات جديدة
لأنه وعلى الرغم من التنوع في الطبيعة،
فإن التطور يتنمّط في جزء ضئيل من عدد إجمالي للبروتينات
لقد أخبرتكم أن الطبيعة تستخدم ألفبائية من 20 حامضًا أمينيًا،
وأن البروتين القياسي عبارة عن سلسلة من حوالي 100 حامض أميني،
ولذلك فإن الرقم الإجمالي من الاحتمالات يتكون من 20 مرة من 20 مرة لـ20 100 مرة،
وهو عدد لنظام من 10 إلى القوة الـ130،
وهو أضخم من العدد الإجمالي للبروتينات
الذي يتواجد منذ أن بدأ كوكب الأرض.
وهذا الفضاء غير المُتصوَر
نستطيع الآن اكتشافه باستخدام تصميم البروتين الحاسوبي.
الآن، البروتينات الموجودة على الأرض
تطورت لمعالجة المشاكل التي تواجه التطور الطبيعي.
كمثال، تكرار الجينوم (الشفرة الوراثية).
ولكننا اليوم نواجه تحديات جديدة.
نعيش مدة أطول؛ لذلك فإن الأمراض الجديدة ذات أهمية.
نحن نرفعُ من درجة حرارة الأرض، ونلوّث الكوكب،
لذلك نحن نواجه مجموعة هائلة من التحديات البيئية.
إذا كان لدينا مليون سنة أخرى،
لعل البروتينات الجديدة تتطور لمعالجة تلك التحديات.
ولكنّا لا نملك ملايين من السنين حتى ننتظر.
في المقابل، ومع تصميم البروتين الحاسوبي،
فإننا نستطيع تصميم بروتينات جديدة لمعالجة هذه التحديات اليوم.
إن فكرتنا الجريئة تتمحور في نقل علم الأحياء خارج مجال العصر الحجري
من خلال الثورة التكنولوجية في تصميم البروتينات.
لقد أثبتنا بالفعل أن بمقدورنا تصميم بروتينات جديدة
مع أشكال ووظائف جديدة.
على سبيل المثال، تعمل اللقاحات بواسطة تنشيط جهازك المناعي
لتوليد استجابة قوية ضد مُسَبِب المرض.
ولتركيب لقاحات أكثر فعالية،
صممنا جسيمات البروتين
بحيث نستطيع دمج البروتينات من مسببات المرض،
مثل هذا البروتين الأزرق هنا، من فيروس الجهاز التنفسي (آر. إس. في).
لاقتراح ترشيحات لقاحية
التي هي حرفيًا تتعاضد مع البروتين الفيروسي،
نتوصل إلى مثل ترشيحات اللقاح تلك
نولّد استجابة مناعية قوية جدًا إزاء الفيروس
عن أي لقاحات سابقة كانت قد اختُبرت من قبل.
إن هذا مهم للغاية؛ لأن فيروس (آر. إس. في) هو حاليًا واحد من أهم مسببات
وفيات الرُضّع حول العالم.
كذلك صمّمنا بروتينات جديدة لتبديد الغلوتين في الأمعاء
لمواجهة الاضطرابات الهضمية
وبروتينات أخرى لتحفيز جهازك المناعي ضد السرطان
هذه المميزات هي بداية لثورة تصميم البروتين.
لقد كانت الثورة التكنولوجية مصدرًا لإلهامنا:
الثورة الرقمية،
التي انطلقت على نطاق واسع بسبب إحراز تطورات في مكان واحد،
معامل (بيل)
إن معامل (بيل) عبارة عن مكان مع بيئة مواتية وحرّة،
وقابلة لجذب المواهب الفذة من أنحاء العالم.
وهذا يقود إلى نطاق بارز من المخترعات...
الترانزيستور، والليزر، واتصال الأقمار الاصطناعية
والأساسات الخاصة بالأنترنت.
إن هدفنا هو بناء معامل (بيل) لتصميم البروتين.
إننا نبحث عن جذب علماء موهوبين من أنحاء العالم
لتسريع ثورة تصميم البروتين،
ولنصبح أكثر تركيزًا على تحديات خمسة كبرى.
الأول، بأخذ بروتينات من سلالات الأنفلونزا من أنحاء العالم
ووضعها في الصدارة من جسيمات البروتين المُصمّمَة
لقد أبَنتُ لكم من قبل،
إننا نهدف إلى تصنيع لقاح عالمي للأنفلونزا،
جرعة واحدة تعطي حصانة مدى العمر ضد الأنفلونزا.
إن القدرة على تصميم...
(تصفيق)
إن القدرة على تصميم لقاح جديد على الحاسوب
مهمة لكلٍ من التحصين ضد الموجات الوبائية من الأنفلونزا
بالإضافة إلى أعمال الإرهاب الدولي البيولوجي.
الثاني، هو أننا بصدد الذهاب بعيدًا وراء الألفبائية الطبيعية المحدودة
ذات الـ20 حامضًا أمينيًا فقط
لتصميم ترشيحات دوائية جديدة لحالات مثل الآلام المزمنة،
باستخدام ألفبائية لآلاف من الأحماض الأمينية.
الثالث، نحن نبني وسائل توصيل متقدمة
لتوجيه الأدوية القائمة بدقة إلى حيث الأماكن التي تحتاج الوصول إليها في الجسم.
مثلا، العلاج الكيميائي إلى ورم
أو علاج الجينات للأنسجة حيث يجب إجراء إصلاح للجينات.
الرابع، أننا بصدد تصميم علاجات جديدة بوسعها إجراء عمليات حسابية داخل الجسم،
الانطلاق بعيدًا وراء العلوم الطبية الحالية
التي هي في الواقع عبارة عن آلات حادة.
على سبيل المثال، لاستهداف فرع صغير من خلايا مناعية
مسئولة عن اضطراب المناعة الذاتية،
وفرزها عن الغالبية العظمى من الخلايا المناعية السليمة.
أخيرًا، بإلهام من المواد الحيوية البارزة
مثل الحرير، وصدفة أذن البحر (كائن بحري)، والأسنان، وغيرها،
إننا بصدد تصميم بروتينات جديدة مستمدة من العناصر
للتعامل مع التحديات في الطاقة وفي القضايا البيئية.
من أجل هذا كله، إننا نعمل على تنمية معهدنا.
نسعى لاجتذاب علماء ذوي مواهب، وتنوّع، ومفعمين بالطاقة
من أنحاء العالم، في شتى المسارات الوظيفية،
للحاق بنا،
إنك أيضًا بمقدورك المساهمة في ثورة تصميم البروتين
من خلال لعبتنا الخاصة بالالتئام، على الانترنت، (فولديت).
أو عبر مشروعنا الحاسوبي المنتشر، (Rosetta@home)،
بحيث يكون بمقدورك اللحاق بنا من حاسوبك النقال أو من هاتفك الذكي.
إن جعل العالم مكانًا أفضل من خلال تصميم البروتين هو شغل حياتي.
أنا متحمسٌ بشأن ما يمكننا فعله سويًا.
أتمنى أن تلحقوا بنا جمعيًا،
وشكرًا لكم.
(تصفيق وهتاف)