TED日本語 - オーデッド・ショゼヨフ: 自然に潜む驚異的な力を生かす方法

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TED日本語 - オーデッド・ショゼヨフ: 自然に潜む驚異的な力を生かす方法

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自然に潜む驚異的な力を生かす方法
How we're harnessing nature's hidden superpowers
オーデッド・ショゼヨフ
Oded Shoseyov

内容

植物の世界の最も強い素材と、昆虫の世界の最も弾力的な素材を組み合わせたら何ができるのでしょう?あらゆるものを変えることになる超高性能素材です。ナノバイオ工学者オーデッド・ショゼヨフは、ネコノミからセコイアまで、自然界に見つかる驚異的な素材の例を取り上げ、スポーツシューズからインプラントまで、彼のチームがそれを生かしているクリエイティブな方法を紹介します。

Script

Two hundred years of modern science. We have to admit that our performance is not great. The machines we build continue to suffer from mechanical failures. The houses we build do not survive severe earthquakes. But we shouldn't be so critical of our scientists for a simple reason: they didn't have much time. Two hundred years is not a lot of time, while nature had three billion years to perfect some of the most amazing materials, that we wish we had in our possession. Remember, these materials carry a quality assurance of three billion years.

Take, for example, sequoia trees. They carry hundreds of tons for hundreds of years in cold weather, in warm climates, UV light. Yet, if you look at the structure by high-resolution electron microscopy, and you ask yourself, what is it made of, surprisingly, it's made of sugar. Well, not exactly as we drink in our tea. It's actually a nanofiber called nanocrystalline cellulose. And this nanocrystalline cellulose is so strong, on a weight basis, it's about 10 times stronger than steel. Yet it's made of sugar.

So scientists all over the world believe that nanocellulose is going to be one of the most important materials for the entire industry. But here's the problem: say you want to buy a half a ton of nanocellulose to build a boat or an airplane. Well, you can Google, you can eBay, you can even Alibaba. You won't find it. Of course, you're going to find thousands of scientific papers -- great papers, where scientists are going to say this is a great material, there are lots of things we can do with it. But no commercial source.

So we at the Hebrew University, together with our partners in Sweden, decided to focus on the development of an industrial-scale process to produce this nanocellulose. And, of course, we didn't want to cut trees. So we were looking for another source of raw material, and we found one -- in fact, the sludge of the paper industry. The reason: there is a lot of it. Europe alone produces 11 million tons of that material annually. It's the equivalent of a mountain three kilometers high, sitting on a soccer field. And we produce this mountain every year. So for everybody, it's an environmental problem, and for us, it's a gold mine.

So now, we are actually producing, on an industrial scale in Israel, nanocellulose, and very soon, in Sweden. We can do a lot of things with the material. For example, we have shown that by adding only a small percent of nanocellulose into cotton fibers, the same as my shirt is made of, it increases its strength dramatically. So this can be used for making amazing things, like super-fabrics for industrial and medical applications. But this is not the only thing. For example, self-standing, self-supporting structures, like the shelters that you can see now, actually are now showcasing in the Venice Biennale for Architecture.

Nature actually didn't stop its wonders in the plant kingdom. Think about insects. Cat fleas, for example, have the ability to jump about a hundred times their height. That's amazing. It's the equivalent of a person standing in the middle of Liberty Island in New York, and in a single jump, going to the top of the Statue of Liberty. I'm sure everybody would like to do that. So the question is: How do cat fleas do it?

It turns out, they make this wonderful material, which is called resilin. In simple words, resilin, which is a protein, is the most elastic rubber on Earth. You can stretch it, you can squish it, and it doesn't lose almost any energy to the environment. When you release it -- snap! It brings back all the energy. So I'm sure everybody would like to have that material. But here's the problem: to catch cat fleas is difficult.

(Laughter)

Why? Because they are jumpy.

(Laughter)

But now, it's actually enough to catch one. Now we can extract its DNA and read how cat fleas make the resilin, and clone it into a less-jumpy organism like a plant. So that's exactly what we did. Now we have the ability to produce lots of resilin.

Well, my team decided to do something really cool at the university. They decided to combine the strongest material produced by the plant kingdom with the most elastic material produced by the insect kingdom -- nanocellulose with resilin. And the result is amazing. This material, in fact, is tough, elastic and transparent. So there are lots of things that can be done with this material. For example, next-generation sport shoes, so we can jump higher, run faster. And even touch screens for computers and smartphones, that won't break.

Well, the problem is, we continue to implant synthetic implants in our body, which we glue and screw into our body. And I'm going to say that this is not a good idea. Why? Because they fail. This synthetic material fails, just like this plastic fork, that is not strong enough for its performance. But sometimes they are too strong, and therefore their mechanical properties do not really fit their surrounding tissues.

But in fact, the reason is much more fundamental. The reason is that in nature, there is no one there that actually takes my head and screws it onto my neck, or takes my skin and glues it onto my body. In nature, everything is self-assembled. So every living cell, whether coming from a plant, insect or human being, has a DNA that encodes for nanobio building blocks. Many times they are proteins. Other times, they are enzymes that make other materials, like polysaccharides, fatty acids. And the common feature about all these materials is that they need no one. They recognize each other and self-assemble into structures -- scaffolds on which cells are proliferating to give tissues. They develop into organs, and together bring life.

So we at the Hebrew University, about 10 years ago, decided to focus on probably the most important biomaterial for humans, which is collagen. Why collagen? Because collagen accounts for about 25 percent of our dry weight. We have nothing more than collagen, other than water, in our body. So I always like to say, anyone who is in the replacement parts of human beings would like to have collagen.

Admittedly, before we started our project, there were already more than 1,000 medical implants made of collagen. You know, simple things like dermal fillers to reduce wrinkles, augment lips, and other, more sophisticated medical implants, like heart valves. So where is the problem? Well, the problem is the source. The source of all that collagen is actually coming from dead bodies: dead pigs, dead cows and even human cadavers. So safety is a big issue. But it's not the only one. Also, the quality.

Now here, I have a personal interest. This is my father, Zvi, in our winery in Israel. A heart valve, very similar to the one that I showed you before,seven years ago, was implanted in his body. Now, the scientific literature says that these heart valves start to fail 10 years after the operation. No wonder: they are made from old, used tissues, just like this wall made of bricks that is falling apart. Yeah, of course, I can take those bricks and build a new wall. But it's not going to be the same. So the US Food and Drug Administration made a notice already in 2007, asking the companies to start to look for better alternatives.

So that's exactly what we did. We decided to clone all the five human genes responsible for making type I collagen in humans into a transgenic tobacco plant. So now, the plant has the ability to make human collagen brand new, untouched. This is amazing. Actually, it's happening now. Today in Israel, we grow it in 25,000 square meters of greenhouses all over the country. The farmers receive small plantlets of tobacco. It looks exactly like regular tobacco, except that they have five human genes. They're responsible for making type I collagen. We grow them for about 50 to 70 days, we harvest the leaves, and then the leaves are transported by cooling trucks to the factory. There, the process of extracting the collagen starts.

Now, if you ever made a pesto -- essentially, the same thing.

(Laughter)

You crush the leaves, you get the juice that contains the collagen. We concentrate the protein, transfer the protein to clean rooms for the final purification, and the end result is a collagen identical to what we have in our body -- untouched, brand new and from which we make different medical implants: bone void fillers, for example, for severe bone fractures, spinal fusion. And more recently, even, we've been able to launch into the market here in Europe a flowable gel that is used for diabetic foot ulcers, that is now approved for use in the clinic.

This is not science fiction. This is happening now. We are using plants to make medical implants for replacement parts for human beings. In fact, more recently, we've been able to make collagen fibers which are six times stronger than the Achilles tendon. That's amazing.

Together with our partners from Ireland, we thought about the next thing: adding resilin to those fibers. By doing that, we've been able to make a superfiber which is about 380 percent tougher, and 300 percent more elastic. So oddly enough, in the future, when a patient is transplanted with artificial tendons or ligaments made from these fibers, we'll have better performance after the surgery than we had before the injury.

So what's for the future? In the future, we believe we'll be able to make many nanobio building blocks that nature provided for us -- collagen, nanocellulose, resilin and many more. And that will enable us to make better machines perform better, even the heart. Now, this heart is not going to be the same as we can get from a donor. It will be better. It actually will perform better and will last longer.

My friend Zion Suliman once told me a smart sentence. He said, "If you want a new idea, you should open an old book." And I'm going to say that the book was written. It was written over three billion years of evolution. And the text is the DNA of life. All we have to do is read this text, embrace nature's gift to us and start our progress from here.

Thank you.

(Applause)

近代科学の200年を 振り返るとき 我々の成績は あまり良くないと認めざるを得ません 我々の作る機械は 故障を繰り返し 我々の建てる建物は 大きな地震に耐えられません しかし あまり科学者に対して 批判的になるべきではないでしょう 彼らにはあまり 時間がなかったのです 200年というのは 大した時間ではありません 自然界は30億年をかけて 我々がほしいと思うような 驚異的な素材を 完成させてきたのです そういった素材は 30億年の歳月によって 品質保証されていることを 忘れないことです

たとえばセコイアの木は 何百トンという荷重を 何百年も支えつづけ 寒い気候 暖かい気候 紫外線にも耐えます その構造を 高倍率の 電子顕微鏡で覗いて いったい何で出来ているのか 調べると 驚くことに それは 糖で出来ているんです 紅茶に入れる あの砂糖ではありませんが セルロースナノクリスタルと呼ばれる ナノファイバーなんです セルロースナノクリスタルは 非常に強く 重さあたりの強度は 鋼鉄の10倍にもなります 糖で出来ているというのに

世界の科学者たちは ナノセルロースこそ あらゆる産業で 最も重要な 素材の1つになるだろうと考えています しかし問題があります 船や飛行機を作るために ナノセルロースを 500キロ買いたいと思って Googleだろうが eBayだろうが Alibabaだろうが 探しても見つからないでしょう 何千という科学論文なら 見つかります 数々の素晴らしい論文で 科学者たちが この素材は素晴らしく 様々なことに利用できると言っていますが 生産販売している企業がないのです

それで我々ヘブライ大学では スウェーデンのパートナーと協力して ナノセルロースを 工業規模で生産するためのプロセスを 開発することにしました 私たちはもちろん 森林を伐採したくはありません それで別の原料供給源を探し そして見つけました 製紙業で生じる製紙スラッジです これに目を付けたのは 大量にあるからです ヨーロッパだけでも年に 1,100万トンも作られています サッカー場の広さに 積み上げたら 3千メートルの山ができます それほどの量が毎年 排出されているんです だからみんなには 頭の痛い環境問題ですが 我々にとっては 宝の山です

現在私たちはイスラエルで実際に ナノセルロースを工業規模で生産しており 間もなくスウェーデンでも 生産開始します この素材で 様々なことができます たとえば ― 私のシャツに使われて いるような綿繊維に 僅かな割合のナノセルロースを 加えるだけで 強度が劇的に上がります だから工業や医療で使える スーパー線維みたいな すごいものを作れます そればかりではありません たとえば ご覧の シェルターのような 自立構造物だって作れます これは今ヴェネツィア・ビエンナーレ建築展で 展示されているものです

自然界の驚異が 見られるのは 植物の世界ばかりではありません 昆虫を考えてみてください ネコノミなどは 体長の100倍も高く ジャンプできます すごいものです これは人間で言えば ニューヨークのリバティ島の 真ん中に立って ひと飛びで 自由の女神の頂上まで 飛び上がることに相当します みんな そんなことが できたならと思うことでしょう ネコノミにはどうやって そんなことが できるのでしょう?

それが実は レジリンという すごい物質による ということが分かります 簡単に言うと レジリンは 一種のタンパク質で 地上で最も弾力性の 高いゴムです 引き延ばしたり 押し潰したりしても そのエネルギーは ほとんど失われません 手を離したら パチン! すべてのエネルギーが 戻ってきます そんな素材なら 誰でも欲しいことでしょう しかし1つ問題があります ネコノミを捕まえるのが 難しいということです

(笑)

どうしてかというと ジャンプしますから

(笑)

でも 1匹捕まえれば 十分なんです そうしたら DNAを抽出して レジリンの生成法を 読み取り 植物みたいな あんまりジャンプしない 有機体にクローンすればいいんです それがまさに 我々のしたことです 我々は今や大量のレジリンを 生産できます

大学にある我々のチームでは 実にイカしたことをすることにしました 植物界で作られる 最も強力な物質である ナノセルロースと 昆虫界で作られる 最も弾力的な物質のレジリンを 組み合わせることに したんです 結果は素晴らしいものです この物質は実際に 丈夫で 伸縮性があり 透明です それを使ってできることが 沢山あります 高く飛び 速く走れる 次世代のスポーツシューズとか コンピュータやスマートフォンのための 割れないタッチスクリーンだって 作れます

我々が抱えている問題に 人工的なインプラントを 体内に長く埋め込む というのがあります これはあまり 良い考えではありません 壊れるからです プラスチックのフォークのように 体内の人工物も 強度不足で壊れることがあり 逆にあまりに強すぎて その力学的性質が 周りの組織に 合わないこともあります

しかし本当の理由は もっと深いところにあります その理由とは 自然界においては 誰かが 私の頭を首にはめ込んだり 皮膚を体に貼り付けたりはしない ということです 自然界では すべてが 自己組織化しています 生きている細胞はすべて 植物であれ 昆虫であれ 人間であれ ナノバイオブロックが DNAに記述されています その多くはタンパク質ですが 多糖や脂肪酸のような 他の物質を作る酵素 という場合もあります そういった素材の すべてに共通しているのは 他者を必要としない ということです 互いを認識し 構造を自分で組み立てます 足場の上に 細胞が増殖して 組織となり 臓器へと発展し 生命体を作り出します

ヘブライ大学では 10年ほど前 人間にとって 最も重要であろう 生体材料に集中することにしました コラーゲンです なぜコラーゲンかというと 人の体の乾燥重量の 25%を占めているのがコラーゲンだからです 私たちの体で水を別にすると 最も多いのがコラーゲンなんです 私がよく言っていることですが およそ人間の交換部品となるものは 何であれコラーゲンを 含んでいるものです

私たちがプロジェクトに 取りかかる以前でも コラーゲンでできた インプラントが 千種もありました 皺をなくしたり 唇をふっくらさせるための 皮下注入剤のような 単純なものから 心臓弁のような高度な インプラントまであります では問題は何でしょう? 問題は供給源です コラーゲンの供給源は すべて死体です 豚の死体 牛の死体 人間の死体の場合さえあります 安全性が重要な問題です それだけでなく 品質も重要です

これに関しては個人的に とても関心があります これはイスラエルのワイン醸造所にいる 父のツヴィーです 先ほどお見せしたような 心臓弁が 7年前 父の体に 移植されました 科学文献によると そういった心臓弁は 手術から10年くらいで 支障を来し始めます 不思議はありません 年を経た中古の組織で できているのですから この崩れかけている レンガの壁のようなものです もちろんレンガを拾って 壁を作り直すこともできます しかし出来上がるものは 元と同じではありません アメリカ食品医薬品局は 2007年の時点ですでに 企業に対し もっと良い代替を探すように 勧告しています

それがまさに 私たちのしたことです I 型コラーゲンの生成にかかわる ヒトの5つの遺伝子をすべて 遺伝子組み換えのタバコに クローンすることにしました そうしてできた植物は 真新しいヒトのコラーゲンを 生成することができます すごいことです それが今まさに 行われているのです 現在我々は イスラエル全土にある 2万5千平米の温室で その栽培をしています 農家は小さなタバコの苗を 受け取ります 普通のタバコのよう見えますが I 型コラーゲンの生成にかかわる ヒトの5つの遺伝子が 組み込まれています それを50~70日間育て 葉を収穫し 冷蔵車で工場へと運びます そこでコラーゲンの 抽出が行われます

ペスト料理を作ったことがあれば やり方は基本的に同じです

(笑)

葉を潰して汁を取ると そこにコラーゲンが含まれています タンパク質を濃縮し クリーンルームに運んで 最終的な精製をし そうやって出来たコラーゲンは ヒトの体にあるのとまったく同一のもので まっさらな新品です それから様々な インプラントを作ります たとえば酷い骨折や 脊椎固定術で使う 骨間隙充填剤のような 最近では ここヨーロッパの市場で 足の糖尿病性潰瘍に使う 流動性ジェルを導入しました 臨床での使用が 認可されています

これはSFではないんです 今まさに起きていることです 人体用の代替部品となる インプラントを 植物で作っているのです さらに最近コラーゲン繊維を 作ることに成功しました アキレス腱の6倍という 強度があります すごいものです

アイルランドの パートナーと一緒に 次の展開を検討しています この繊維にレジリンを 加えようというのです そうやってできる スーパー繊維は 380%高い強度と 300%高い弾力性があります だから奇妙な話ですが 将来は この繊維で作った 腱や靱帯を 手術で移植された患者は 怪我をする前よりも 高い運動能力を 持つことになるでしょう

将来の展望ですが 自然の生み出す 様々なナノバイオ素材を 工業的に生産できるように なるでしょう コラーゲン ナノセルロース レジリン その他にも沢山あります それにより高性能で優れた機能部品を 作れるようになるでしょう 心臓だってそうです この心臓は 臓器提供者から もらうものとは 違ったものになるでしょう もっと優れています 機能的により優れ より長持ちします

友人のシオン・スーリマンは かつて気の利いたことを 言いました 「新しいアイデアがほしければ 古い本を紐解くことだ」 私に言わせると その本とは ― 30億年の進化の中で書かれた 生物が持つDNAです 私たちがしなければならないのは その内容を読んで この自然の贈り物を手に 進歩を始めるということです

ありがとうございました

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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