Hur utformningen av banbrytande enzymer kan förändra världen

"Om DNA är en manual för livet, är enzymer arbetarna som utför dess instruktioner," säger den kemiske biologen Adam Garske. I detta underhållande och experimentella föredrag visar han hur forskare nu kan redigera och designa enzymer för specifika funktioner (för att hjälpa behandla sjukdomar som diabetes, skapa energieffektivt tvättmedel och till och med fånga växthusgaser) och utför sitt eget enzymexperiment på scenen.

När jag växte upp i centrala Wisconsin,
spenderade jag mycket tid utomhus.

På våren kunde jag känna
den berusande doften av syren.

Om sommaren älskade jag
eldflugornas skimrande glöd

när de surrade omkring
under kvalmiga nätter.

På hösten var myrarna överfyllda
med den lysande röda färgen av tranbär.

Även vintern hade sin charm,

med sin juliga bukett
som reste sig från tallarna.

För mig har naturen alltid varit
en källa till förundran och inspiration.

När jag gick vidare till forskarskolan
inom kemi, och under senare år,

fick jag en djupare förståelse
av naturen på molekylnivå.

Alla saker som jag nyss nämnt -

från doften av syren och tallar

till lysande röda tranbär
och glöden av eldflugor -

har minst en sak gemensamt:

De är tillverkade av enzymer.

Som jag sa, växte jag upp i Wisconsin,
och gillar självklart ost

och fotbollslaget Green Bay Packers.

Men låt oss prata om ost en stund.

Under de senaste 7 000 åren

har människan utvunnit
olika slags enzymer

ur kors, fårs och getters magar

och tillsatt dem i mjölk.

Detta får mjölken att koagulera

vilket är en del
av osttillverkningsprocessen.

Det viktigaste enzymet
i blandningen kallas kymosin.

Jag vill visa er hur det funkar.

Här har jag två provrör, och kommer
att lägga till kymosin i det ena.

Ett ögonblick bara…

Min son Anthony,
som är åtta år gammal,

ville gärna hjälpa mig komma på
ett experiment för TED-föredraget.

Så vi var i köket,
och skar upp ananas,

extraherade enzymer från röd potatis,

och gjorde alla slags experiment.

Till slut tyckte vi
att kymosinexperimentet

blev rätt häftigt.

Det som händer här

är att kymosinet
simmar runt i mjölken,

och binder till ett protein
som kallas kasein.

Vad det gör sen är
att det klipper kaseinet,

det fungerar som en molekylär sax.

Det är själva klippfunktionen
som gör att mjölken koagulerar.

Här är vi i köket och jobbar på detta.

Okej.

Jag sätter snabbt på locket

och lägger sedan rören åt sidan
för att låta dem puttra i någon minut.

Okej.

Om DNA är livets instruktionsmanual

så är enzymerna arbetarna
som fullföljer dess instruktioner.

Enzymet är ett protein
som är en katalysator;

det påskyndar eller accelererar
en kemisk reaktion,

precis på samma sätt som kymosinet här
påskyndar mjölkens koagulering.

Men det handlar inte bara om ost.

Medan enzymer spelar en viktig roll
för livsmedlen vi äter,

är de också involverade i allt
från ett spädbarns hälsa

till att tackla de största
miljöutmaningarna

vi har idag.

Enzymernas grundläggande byggstenar
kallas för aminosyror.

Det finns 20 vanliga aminosyror

som vi brukar förse med
en bokstavsbeteckning,

så det finns ett helt alfabet
av aminosyror.

I ett enzym är dessa aminosyror hoplänkade

som pärlor i ett halsband.

Och det är faktiskt det
som utgör aminosyrornas identitet:

Det är bokstavskombinationen i halsbandet,

ordningen de förekommer i,
samt vad de stavar till,

som ger enzymet sina unika egenskaper
och särskiljer det från andra enzymer.

Den här strängen
av aminosyror, detta halsband,

vecklas ut i ett övergripande mönster.

Om man skulle zooma in
på den molekylära nivån

och ta en titt på kymosinet,
enzymet som jobbar här borta,

skulle det se ut så här.

Det är alla dessa trådar, öglor
och spiraler vridna åt olika håll

som måste ha just denna form
för att fungera korrekt.

Numera kan vi skapa enzymer i mikrober,

vilket exempelvis
kan vara bakterier eller jäst.

Sättet vi gör det på
är att ta en bit DNA

som innehåller ett enzym
vi är intresserade av,

sätter in enzymet i mikroben,

och låter mikroben använda
sitt eget system, sina egna resurser,

för att tillverka enzymet åt oss.

Vill man framställa kymosin
behövs ingen en kalv nuförtiden,

det kan utvinnas ur en mikrob.

Och vad som är
ännu häftigare, tycker jag,

är att vi nu helt kan anpassa
DNA-sekvenser

för att skapa alla enzymer vi vill,

sådana som inte finns ute i naturen.

Och för mig är det
den riktigt roliga biten:

att försöka designa ett enzym
för nya användningsområden

genom att arrangera om atomerna.

Att ta ett enzym från naturen
och mecka med aminosyrorna,

pilla med deras bokstäver,

och lägga till
och ta bort några bokstäver,

kanske arrangera om dem lite grann,

är ungefär som att hitta en bok

och redigera några kapitel
eller ändra på slutet.

År 2018 delades Nobelpriset i kemi ut

för utvecklingen av denna metod,

vilken kallas "riktad evolution".

Numera kan vi utnyttja
krafterna i riktad evolution

till att designa enzymer
för anpassade ändamål.

Ett av dessa är att utforma enzymer
för nya tillämpningsområden, som tvätt.

Precis som att enzymerna i kroppen

kan hjälpa dig bryta ner
maten du äter

kan enzymer i tvättmedlet

hjälpa dig bryta ner fläckarna
på dina kläder.

Det visar sig att runt
90 procent av energin

som går till tvätt kommer
från vattenuppvärmningen.

Och det är av goda skäl -

det varma vattnet hjälper till
att göra dina kläder rena.

Men tänk om du kunde
tvätta i kallt vatten istället?

Du skulle definitivt
spara en slant, och utöver det,

visar beräkningar
gjorda av Procter and Gamble

att om alla hushåll i USA
skulle tvätta i kallt vatten,

skulle vi minska utsläppen
med 32 ton koldioxid per år.

Det är mycket, och motsvarar ungefär

koldioxidutsläpp från 6,3 miljoner bilar.

Så hur skulle vi gå tillväga
med att designa ett enzym

för att förverkliga sådana förändringar?

Enzymer har inte utvecklats
för att rengöra smutsig tvätt,

än mindre i kallt vatten.

Men vi kan gå till naturen
för att finna en utgångspunkt.

Vi kan hitta ett enzym
med vissa förutsättningar,

en bas som vi kan jobba med.

Här är exempel på ett sådant enzym
på skärmen.

Och vi kan börja mecka
med aminosyrorna, som jag nämnt:

genom att lägga till några bokstäver,
ta bort andra och ordna om dem.

Genom att göra det
kan vi generera tusentals enzymer.

Vi kan ta enzymerna,

och testa dem i små plattor som dessa.

Plattan som jag håller i mina händer

innehåller 96 brunnar.

I varje brunn finns ett tygstycke
med en fläck på.

Vi kan mäta hur effektivt varje enzym

kan ta bort fläckarna från tygstyckena

och på så sätt se hur bra det fungerar.

Vi kan göra det här med hjälp av robotik,

som du strax får se på skärmen.

Okej, när vi gör detta visar det sig

att en del av enzymerna

hamnar rätt nära utgångsenzymet.

Det är inget att hänga i granen.

Vissa är värre, så vi gör oss av med dem.

Andra är bättre.

De förbättrade enzymerna
blir vår version 1.0.

Det är enzymerna som vi vill förädla,

och denna cykel kan upprepas
om och om igen.

Det är upprepningen av cykeln
som låter oss komma på ett nytt enzym,

något som kan göra det vi vill.

Och efter flera sådana cykler,

uppfann vi faktiskt något nytt:

Du kan gå till stormarknaden idag
och köpa ett tvättmedel

som låter dig tvätta i kallt vatten
tack vare enzymer som de här.

Jag vill visa er hur tekniken fungerar.

Jag har ytterligare två rör här,

som båda innehåller mjölk igen.

Låt mig demonstrera:

Jag har ett rör
som jag ska hälla enzymet i

och ett annat där jag blandar i vatten
- det är kontrollprovet,

där inget förväntas hända.

Du kanske är nyfiken på
varför jag gör detta med mjölk.

Det beror på att

mjölken är full av proteiner

och det är väldigt enkelt att se
hur enzymet funkar i en proteinlösning

för att det är en mästare på
att klippa proteiner,

det är dess uppgift.

Låt mig lägga till enzymet här.

Som ni vet, är det som sagt en mästare
på att klippa proteiner.

Det man kan göra är att föra över
enzymets effekt i den här mjölken

till vad det kan göra med din tvätt.

Det är ett sätt att föreställa sig
vad som kan hända.

Okej, nu har båda hällts i.

Och jag kommer att ge dem
en snabb omskakning också.

Vi låter dem stå här borta
med kymosinprovet

och återkommer till dessa
senare mot slutet.

Hur ser utsikterna ut för enzymdesign?

Framstegen kommer bli snabba.

Det finns nu strategier
för att utveckla enzymer

som låter forskare hantera
betydligt fler prover

än jag precis visat er.

Och förutom att pilla
med naturliga enzymer,

som vi har pratat om,

försöker vissa forskare nu utforma
enzymer från grunden,

genom att använda maskininlärning,
en metod från artificiell intelligens,

för att förbättra sin enzymdesign.

Det finns också de

som lägger till onaturliga
aminosyror i blandningen.

Vi nämnde tidigare
de 20 naturliga aminosyrorna,

de vanliga aminosyrorna.

Forskarna lägger till
onaturliga aminosyror

för att utforma enzymer med
egenskaper som inte finns i naturen.

Det är ett rätt spännande område.

Hur kommer designade enzymer
att påverka dig framöver?

Jag vill fokusera på två områden:

människohälsa och miljö.

Vissa läkemedelsföretag

har nu forskarlag som ägnar sig åt
att designa enzymer

för effektivare tillverkning av läkemedel
med färre giftiga katalysatorer.

Januvia, till exempel,

vilket är ett läkemedel som används

för att behandla diabetes typ 2,
framställs delvis av enzymer.

Antalet läkemedel tillverkade med enzymer
kommer säkert att öka i framtiden.

Inom andra områden
finns det vissa sjukdomar

där ett enstaka enzym i kroppen
inte fungerar som det ska.

Ett exempel på detta
kallas fenylketonuri,

som förkortas PKU.

Människor med PKU kan inte smälta
eller bryta ner fenylalanin ordentligt,

vilket är en av de 20 vanliga aminosyrorna
som vi har pratat om.

Ett intag av fenylalanin
för människor med PKU medför

att de riskerar drabbas av mental
utvecklingsstörning med bestående men.

Så det är något läskigt att ha.

Ni med barn -

vilka av er har barn här?

Det är många.

Ni kanske känner till PKU

eftersom alla spädbarn i USA
måste testas för sjukdomen.

Jag minns när min son Anthony
blev testad för det genom hälen.

Sjukdomens stora utmaning
är vad man ska äta.

Fenylalanin finns i så många livsmedel;
det är otroligt svårt att undvika.

Anthony har nötallergi,
vilket jag tyckte var tufft,

men PKU är långt mycket svårare.

Däremot kan nya enzymer
snart göra det möjligt för PKU-patienter

att äta vad de vill.

Nyligen godkände Livsmedelsverket
ett enzym utformat för att behandla PKU.

Det är stora nyheter för patienter,

och överlag ett stort framsteg

för enzymersättningsbehandlingar

eftersom det finns fler områden där
detta skulle vara en bra metod.

Det var alltså lite om hälsa.

Nu ska jag gå vidare till miljön.

När jag läser om
plastberget i Stilla havet

– som förresten är en enorm plastö

någonstans mellan Kalifornien och Hawaii –

och om mikroplast nästan överallt,

är det upprörande.

Plasten försvinner inte så snabbt.

Men enzymer kan hjälpa oss
även i detta område.

Nyligen har man upptäckt bakterier
som producerar plastnedbrytande enzymer.

Det görs redan försök
att designa förbättrade versioner

av enzymerna.

Samtidigt finns det enzymer
som har upptäckts och förädlas

för att skapa biologiskt nedbrytbar plast
som inte är oljebaserad.

Enzymer kan också hjälpa
att fånga växthusgaser,

som koldioxid, metan och dikväveoxid.

Det medför tveklöst stora utmaningar

och ingen av dem är lätt.

Men vår förmåga att utvinna enzymer
kan hjälpa oss

att ta itu med dem i framtiden.

Så jag tror att det är ett annat område
att se fram emot.

Nu går jag tillbaka till experimenten,

den roliga biten.

Vi börjar med kymosinproven.

Jag lägger dem här.

Här kan man se

att detta är röret som fick vattnet

så ingenting borde hända
med den här mjölken.

Här är röret som fick kymosinet.

Man kan se att det är helt klart upptill.

Den stelnade biten är ost -

vi har just framställt ost
på några minuter.

Det är en kemisk reaktion

som människor har framkallat
i tusentals år.

Jag tror vi ska göra experimentet

på vår nästa uppvisning
för "Barn med på jobbet-dagen",

men de kan vara
en tuff publik, så vi får se.

Här är det andra provet jag vill titta på.

Det här är enzymet
som används för tvätt.

Det skiljer sig från provet
med tillsatt vatten.

Det agerar upplösande -

precis den effekt man önskar
att enzymet ska ha på tvätten

då man vill ha ett enzym

som kan sluka upp proteinet.

Klädfläckar, som chokladmjölk
eller gräsfläckar,

består av olika proteiner

och något sådant
kommer hjälpa en få bort dem.

Det kommer också att möjliggöra

tvätt i kallt vatten,
minskning av koldioxidavtrycket

och besparing av lite pengar.

Vi har kommit långt

med tanke på den sjutusenåriga resan
från enzymer i osttillverkning

till nutid och enzymutformning.

Vi står verkligen i ett nyskapande skede

där vi med med enzymer
kan ändra på naturens manual

eller skriva ner våra egna
instruktioner för aminosyror.

Så nästa gång du är ute en varm natt

och får syn på en eldfluga

hoppas jag att du tänker på enzymer.

De gör fantastiska saker för oss idag.

Och med enzymutformningen

skulle de kunna göra
större underverk imorgon.

Tack.

(Applåder)