La prossima rivoluzione del software: programmare cellule biologiche
-
0:01 - 0:05La seconda metà del secolo scorso
è stata completamente caratterizzata -
0:05 - 0:07da una rivoluzione tecnologica:
-
0:07 - 0:09la rivoluzione del software.
-
0:09 - 0:14La capacità di programmare gli elettroni
su un materiale chiamato silicio -
0:14 - 0:17ha reso possibile la creazione
di tecnologie, società e industrie -
0:17 - 0:21fino ad allora inimmaginabili
per molti di noi, -
0:21 - 0:25ma che hanno intrinsecamente cambiato
il funzionamento del mondo. -
0:26 - 0:28Tuttavia, la prima metà di questo secolo
-
0:28 - 0:32sarà trasformata da una nuova
rivoluzione del software: -
0:32 - 0:35la rivoluzione del software vivente,
-
0:35 - 0:39che sarà resa possibile dalla capacità
di programmare la biochimica -
0:39 - 0:41su un materiale chiamato biologia.
-
0:41 - 0:45Questa capacità ci permetterà di sfruttare
le proprietà della biologia -
0:45 - 0:48per creare nuovi tipi di terapie,
-
0:48 - 0:50riparare tessuti danneggiati,
-
0:50 - 0:53riprogrammare cellule difettose
-
0:53 - 0:57o persino realizzare sistemi operativi
programmabili basati sulla biochimica. -
0:58 - 1:02Se riusciremo a fare tutto ciò
- e davvero ne abbiamo bisogno - -
1:02 - 1:04l'impatto sarà tale,
-
1:04 - 1:08da far impallidire al confronto
la prima rivoluzione del software. -
1:08 - 1:12Un software vivente, infatti,
trasformerebbe del tutto la medicina, -
1:12 - 1:14l'agricoltura e l'energia,
-
1:14 - 1:18settori che sovrastano
quelli dominati dall'IT. -
1:19 - 1:23Pensate a piante programmabili
che fissano l'azoto in modo più efficace, -
1:23 - 1:26o resistono all'attacco
di patogeni fungini, -
1:26 - 1:29oppure a coltivazioni programmate
per essere perenni invece che annuali -
1:30 - 1:32in modo da raddoppiarne la resa ogni anno.
-
1:32 - 1:34Tutto ciò trasformerebbe l'agricoltura
-
1:34 - 1:38e il nostro modo di nutrire
la crescente popolazione globale. -
1:39 - 1:42Pensate anche alla possibilità
di programmare l'immunità, -
1:42 - 1:45grazie a dispositivi molecolari progettati
per permettere al sistema immunitario -
1:45 - 1:49di individuare, eliminare
o anche prevenire le malattie. -
1:49 - 1:51Questo trasformerebbe la medicina
-
1:51 - 1:54e il modo di curare una popolazione
sempre più vasta e anziana. -
1:56 - 1:59Abbiamo già molti degli strumenti
necessari a creare il software vivente. -
1:59 - 2:02Possiamo modificare i geni
con precisione grazie ai CRISPR. -
2:02 - 2:05Possiamo riscrivere il codice genetico
base dopo base. -
2:05 - 2:10Possiamo persino creare circuiti sintetici
funzionanti, partendo dal DNA. -
2:10 - 2:13Capire come e quando utilizzare
questi strumenti, però, -
2:13 - 2:15è ancora un processo fatto
di tentativi ed errori. -
2:15 - 2:19Servono competenze elevate,
anni di specializzazione. -
2:19 - 2:22Inoltre, elaborare protocolli
sperimentali è difficile, -
2:22 - 2:25così come, molto spesso, replicarli.
-
2:25 - 2:30Sapete, in biologia tendiamo
a focalizzarci molto sulle parti, -
2:30 - 2:33ma sappiamo tutti che non si può
comprendere il volo, ad esempio, -
2:33 - 2:34studiando solo le penne.
-
2:35 - 2:39Programmare la biologia non è quindi
semplice come programmare un computer. -
2:39 - 2:41Inoltre, come se non bastasse,
-
2:41 - 2:45i sistemi viventi assomigliano
ben poco ai sistemi artificiali -
2:45 - 2:47che programmiamo ogni giorno.
-
2:48 - 2:52A differenza di quelli artificiali,
i sistemi viventi si auto-generano, -
2:52 - 2:53si auto-organizzano,
-
2:53 - 2:55operano su scala molecolare
-
2:55 - 2:57e queste interazioni a livello molecolare
-
2:57 - 3:00hanno di solito un grande impatto
su macroscala. -
3:00 - 3:03Riescono persino ad auto-ripararsi.
-
3:04 - 3:07Prendete, ad esempio, le comuni
piante da appartamento, -
3:07 - 3:09tipo quella sul vostro caminetto a casa
-
3:09 - 3:11che dimenticate sempre di annaffiare.
-
3:12 - 3:15Ogni giorno, nonostante la trascuriate,
quella pianta si deve svegliare -
3:15 - 3:18e decidere come impiegare
le proprie risorse: -
3:18 - 3:22per la crescita, la fotosintesi,
per la produzione di semi o fiori? -
3:22 - 3:26È una decisione che riguarda
tutto l'organismo, -
3:26 - 3:29ma la pianta non ha un cervello
per gestire il tutto. -
3:29 - 3:32Deve accontentarsi delle cellule
sulle sue foglie, -
3:32 - 3:34che devono reagire
all'ambiente circostante -
3:34 - 3:37e prendere decisioni
che riguardano l'intera pianta. -
3:37 - 3:41Deve quindi esserci una sorta di programma
attivo dentro quelle cellule -
3:41 - 3:43che risponde ai segnali d'ingresso
e agli stimoli -
3:43 - 3:45e che ne determina il comportamento.
-
3:46 - 3:49Quei programmi devono poi operare
in maniera distribuita -
3:49 - 3:50tra tutte le singole cellule,
-
3:50 - 3:54affinché si possano coordinare
per far crescere e prosperare la pianta. -
3:56 - 3:59Comprendere questi programmi biologici,
-
3:59 - 4:02comprendere la computazione biologica,
-
4:02 - 4:06ci aiuterebbe a capire come e perché
-
4:06 - 4:08le cellule fanno ciò che fanno.
-
4:08 - 4:10Grazie alla comprensione
di questi programmi -
4:10 - 4:13potremmo fare il debugging
quando le cose vanno male -
4:13 - 4:17o prenderli ad esempio
per progettare circuiti artificiali -
4:17 - 4:21che sfruttano davvero il potere
computazionale della biochimica. -
4:22 - 4:25L'entusiasmo per questa idea
mi ha portato a fare ricerca -
4:25 - 4:29in un ambito che collega matematica,
informatica e biologia. -
4:29 - 4:34Il mio lavoro si concentra sull'idea
di biologia come computazione. -
4:34 - 4:37Mi chiedo come operano le cellule
-
4:38 - 4:41e come possiamo individuare
questi programmi biologici. -
4:42 - 4:45Ho iniziato a farlo assieme
ad un brillante team di collaboratori -
4:45 - 4:48al laboratorio Microsoft Research
dell'Università di Cambridge, -
4:48 - 4:50dove volevamo comprendere
-
4:50 - 4:55il programma biologico che fa funzionare
un tipo speciale di cellule: -
4:55 - 4:57le cellule staminali embrionali.
-
4:57 - 5:00Queste cellule sono uniche
perché sono ancora indifferenziate. -
5:00 - 5:02Possono diventare qualsiasi cosa vogliano:
-
5:03 - 5:05cellule cerebrali, cardiache,
ossee, polmonari, -
5:05 - 5:07ogni tipo di cellula adulta.
-
5:07 - 5:09La loro indifferenziazione
le rende uniche -
5:09 - 5:12e accende l'immaginazione
della comunità scientifica, -
5:12 - 5:15che ha capito come quel potenziale
-
5:15 - 5:18potrebbe fornire alla medicina
uno strumento potente. -
5:18 - 5:20Se riuscissimo a capire
come quelle cellule decidano -
5:20 - 5:23di diventare un tipo di cellula
e non un altro, -
5:23 - 5:24potremmo utilizzarle
-
5:24 - 5:29per ottenere cellule necessarie alla cura
di tessuti ammalati o danneggiati. -
5:30 - 5:33Realizzare quest'idea non è semplice,
-
5:33 - 5:36soprattutto perché
queste particolari cellule -
5:36 - 5:38compaiono appena sei giorni
dopo il concepimento -
5:39 - 5:41e spariscono dopo circa un giorno,
-
5:41 - 5:43quando prendono strade diverse
-
5:43 - 5:46per formare tutte le strutture
e gli organi del corpo adulto. -
5:48 - 5:51Tuttavia, si è scoperto che il destino
delle cellule è molto più duttile -
5:51 - 5:52di quanto si pensasse.
-
5:52 - 5:57Circa 13 anni fa, alcuni scienziati
hanno mostrato qualcosa di rivoluzionario: -
5:57 - 6:02inserendo una manciata di geni
in una cellula adulta, -
6:02 - 6:04ad esempio una cellula della pelle,
-
6:04 - 6:08si può riportare quella cellula
allo stato indifferenziato. -
6:08 - 6:11Questo processo, detto "riprogrammazione",
-
6:11 - 6:14ci permette di immaginare un futuro
in cui sia possibile -
6:14 - 6:18prendere delle cellule staminali
di un paziente, -
6:18 - 6:20riportarle allo stato indifferenziato
-
6:20 - 6:23e utilizzarle per generare le cellule
necessarie al paziente, -
6:23 - 6:25siano esse cerebrali o cardiache.
-
6:26 - 6:28Da circa 10 anni a questa parte, però,
-
6:28 - 6:31trovare il modo di cambiare
il destino delle cellule -
6:31 - 6:34significa procedere
per tentativi ed errori. -
6:34 - 6:38Anche i protocolli sperimentali
che siamo riusciti a identificare -
6:38 - 6:40risultano ancora inefficienti
-
6:40 - 6:44e fondamentalmente non sappiamo ancora
come e perché funzionino. -
6:45 - 6:48Sapere come trasformare una cellula
staminale in una cardiaca -
6:48 - 6:51non significa sapere come trasformare
una cellula staminale -
6:51 - 6:52in una cellula cerebrale.
-
6:53 - 6:56Volevamo quindi capire
il programma biologico -
6:56 - 6:58attivo all'interno delle cellule
staminali embrionali -
6:58 - 7:02e per comprendere la computazione
di un sistema vivente -
7:02 - 7:06si inizia da una domanda
incredibilmente semplice: -
7:06 - 7:09Qual è, di fatto, il compito
di quel sistema? -
7:10 - 7:13La scienza informatica ha delle strategie
-
7:13 - 7:17per gestire ciò che software
e hardware devono fare. -
7:17 - 7:19Quando si scrive un programma,
si codifica del software, -
7:19 - 7:21si vuole che esso funzioni correttamente.
-
7:21 - 7:23Si cercano prestazioni e funzionalità.
-
7:23 - 7:24Si vogliono evitare i bug,
-
7:24 - 7:26perché possono costare caro.
-
7:26 - 7:28Così, il programmatore
-
7:28 - 7:30potrebbe elaborare
una serie di specifiche -
7:30 - 7:32che dicono al programma cosa fare.
-
7:32 - 7:34Per esempio confrontare
le dimensioni di numeri -
7:35 - 7:36oppure ordinarli in ordine crescente.
-
7:37 - 7:42Abbiamo la tecnologia che ci permette
di controllare automaticamente -
7:42 - 7:44se le specifiche vengono rispettate
-
7:44 - 7:47e il programma fa ciò che deve.
-
7:47 - 7:50Noi pensavamo, quindi,
che allo stesso modo -
7:50 - 7:53le osservazioni sperimentali,
ciò che misuriamo in laboratorio, -
7:53 - 7:58corrispondesse alle specifiche
che regolano il programma biologico. -
7:59 - 8:01Dovremmo dunque solo trovare il modo
-
8:01 - 8:04di codificare questo nuovo
tipo di specifiche. -
8:05 - 8:08Supponiamo che analizzando
i geni in laboratorio -
8:08 - 8:11abbiamo visto che se il Gene A è attivo,
-
8:11 - 8:14sembrano esserlo anche
il Gene B o il Gene C. -
8:15 - 8:18Possiamo trascrivere quell'osservazione
come espressione matematica -
8:18 - 8:21usando il linguaggio della logica:
-
8:21 - 8:24Se A, allora B o C.
-
8:24 - 8:27È un esempio molto semplice, sì,
-
8:27 - 8:28ma serve ad illustrare il concetto.
-
8:28 - 8:31Possiamo codificare espressioni
realmente complesse -
8:31 - 8:36che riflettano davvero il comportamento
di molteplici geni o proteine nel tempo -
8:36 - 8:38osservato in diversi
e molteplici esperimenti. -
8:39 - 8:41Traducendo le nostre osservazioni
-
8:41 - 8:43in espressioni matematiche in questo modo,
-
8:43 - 8:48risulta possibile verificare
se quelle osservazioni emergono -
8:48 - 8:51da un programma di interazioni genetiche.
-
8:52 - 8:55Per fare ciò,
abbiamo sviluppato uno strumento -
8:55 - 8:58e siamo stati in grado di usarlo
per codificare osservazioni -
8:58 - 8:59come espressioni matematiche
-
8:59 - 9:03per poi riuscire eventualmente
a scoprire il programma genetico -
9:03 - 9:04che sta alla loro base.
-
9:05 - 9:08In seguito, potremmo usare questo sistema
-
9:08 - 9:12per individuare il programma genetico
delle cellule staminali embrionali -
9:12 - 9:16e cercare di capire come indurre
il loro stato indifferenziato. -
9:16 - 9:18Questo strumento è stato realizzato
-
9:18 - 9:21su un solutore utilizzato comunemente
in tutto il mondo -
9:21 - 9:23per la normale verifica di software.
-
9:24 - 9:27Abbiamo iniziato con un gruppo
di quasi 50 specifiche diverse -
9:27 - 9:32generate dall'osservazione sperimentale
di cellule staminali embrionali. -
9:32 - 9:35Codificando quelle osservazioni
in questo strumento, -
9:35 - 9:38siamo riusciti a scoprire
il primo programma molecolare -
9:38 - 9:40che potrebbe spiegarle tutte.
-
9:40 - 9:43È già di per sé un gran risultato, vero?
-
9:43 - 9:46Riuscire a dare un senso
a tutte le diverse osservazioni -
9:46 - 9:49non è una cosa che si può fare così,
su due piedi, -
9:49 - 9:52neppure se si tratta di piedi grandi.
-
9:52 - 9:56Grazie a questo tipo di conoscenza,
potremmo andare oltre -
9:56 - 9:59e usare questo programma
per predire il comportamento cellulare -
9:59 - 10:01in condizioni mai testate prima.
-
10:01 - 10:04Potremmo testare il programma in silico.
-
10:05 - 10:06In effetti, l'abbiamo fatto:
-
10:06 - 10:09abbiamo generato previsioni
per poi testarle in laboratorio -
10:09 - 10:12e abbiamo scoperto che questo programma
è altamente predittivo. -
10:12 - 10:15Ci ha mostrato come potevamo
accelerare il ritorno -
10:15 - 10:18allo stato ingenuo in modo
veloce ed efficiente. -
10:18 - 10:21Ci ha mostrato quali geni selezionare
per farlo -
10:21 - 10:23e quali potrebbero invece
ostacolare il processo. -
10:23 - 10:28Abbiamo visto che il programma indicava
persino l'ordine di attivazione dei geni. -
10:29 - 10:32Questo metodo ci permetteva quindi
di far luce sulle dinamiche -
10:32 - 10:35del funzionamento cellulare.
-
10:36 - 10:39Questo metodo non è specifico
per la biologia delle cellule staminali, -
10:39 - 10:44ma ci permette di comprendere
la computazione attuata dalle cellule -
10:44 - 10:47nel contesto delle interazioni genetiche.
-
10:47 - 10:49Si tratta quindi di un primo passo.
-
10:49 - 10:52In questo campo servono nuove strategie
-
10:52 - 10:54per comprendere la computazione biologica
-
10:54 - 10:56più a fondo e su più livelli,
-
10:56 - 11:00dal DNA fino al flusso di informazioni
fra le cellule. -
11:00 - 11:03Solo questa comprensione rivoluzionaria
-
11:03 - 11:08ci permetterà di utilizzare la biologia
in modi prevedibili ed affidabili. -
11:09 - 11:12Tuttavia, per poter programmare
la biologia dovremo anche sviluppare -
11:12 - 11:14strumenti e linguaggi tali
-
11:14 - 11:18da permettere a scienziati
sperimentali e computazionali -
11:18 - 11:20di progettare la funzione biologica
-
11:20 - 11:24fino al livello del codice macchina
della cellula, -
11:24 - 11:25la sua biochimica,
-
11:25 - 11:27in modo da permetterci
di costruire quelle strutture. -
11:27 - 11:31Si tratta di una sorta di compilatore
di software vivente -
11:31 - 11:33e sono orgogliosa di far parte
di un team Microsoft -
11:33 - 11:35che lavora per svilupparne uno.
-
11:35 - 11:39Dire che si tratta di una grande sfida
è una sorta di eufemismo, -
11:39 - 11:40ma riuscirci,
-
11:40 - 11:44permetterebbe il collegamento finale
tra software e wetware. -
11:45 - 11:48Più in generale, programmare la biologia
sarà possibile solo -
11:48 - 11:53se renderemo il suo ambito
realmente interdisciplinare. -
11:53 - 11:56Dobbiamo collegare le scienze fisiche
e quelle umane. -
11:56 - 11:58Gli scienziati di ciascuna
di quelle discipline -
11:58 - 12:01devono poter collaborare
grazie a linguaggi comuni -
12:01 - 12:04e condividere gli scopi della ricerca.
-
12:05 - 12:09Alla lunga, conviene ricordare
che molti giganti informatici -
12:09 - 12:11e gran parte delle tecnologie
che usiamo ogni giorno -
12:11 - 12:13non erano neppure immaginabili
-
12:13 - 12:16agli albori della programmazione
su microchip in silicio. -
12:16 - 12:19Se pensiamo ai potenziali
sviluppi tecnologici -
12:20 - 12:22legati alla biologia computazionale,
-
12:22 - 12:25individueremo anche i passi necessari
-
12:25 - 12:26per renderla una realtà.
-
12:27 - 12:30Ora, preoccupa l'idea
che questo tipo di tecnologia -
12:30 - 12:32potrebbe essere usata impropriamente.
-
12:32 - 12:34Se vogliamo occuparci della possibilità
-
12:34 - 12:36di programmare cellule immunitarie,
-
12:36 - 12:39dobbiamo anche pensare
alla possibilità di batteri -
12:39 - 12:41progettati per aggirarle.
-
12:41 - 12:43Ci potrebbe essere qualcuno
disposto a farlo. -
12:44 - 12:45Un dato rassicurante -
-
12:45 - 12:48beh, non tanto per gli scienziati -
-
12:48 - 12:51è che la biologia è un campo delicato
in cui lavorare. -
12:51 - 12:53Programmarla non è qualcosa
-
12:53 - 12:55che si può fare in cantina.
-
12:56 - 12:58Poiché siamo agli inizi
-
12:58 - 13:00dobbiamo procedere tenendo
gli occhi bene aperti. -
13:00 - 13:03Possiamo porci direttamente il problema,
-
13:03 - 13:06approntare le necessarie difese
-
13:06 - 13:09e pensare, nel contempo,
alle questioni etiche. -
13:09 - 13:12Dovremo pensare di porre
dei limiti all'utilizzo -
13:12 - 13:13della funzione biologica.
-
13:14 - 13:17In quest'ottica, la ricerca in ambito
di bioetica dovrà essere prioritaria. -
13:17 - 13:20Non può essere relegata
ad un ruolo di secondo piano -
13:20 - 13:22a fronte dell'entusiasmo
per l'innovazione scientifica. -
13:23 - 13:27Il risultato più grande,
l'obiettivo finale di questo percorso -
13:27 - 13:30sarebbero applicazioni e industrie
all'avanguardia -
13:30 - 13:34in ambiti che spaziano tra agricoltura,
medicina, energia, materiali -
13:34 - 13:36e persino la stessa elaborazione dati.
-
13:36 - 13:40Pensate, un giorno potremmo dare energia
al pianeta in modo sostenibile -
13:40 - 13:42grazie alla migliore energia verde,
-
13:42 - 13:45se riuscissimo a riprodurre
ciò che le piante fanno da millenni: -
13:46 - 13:49come utilizzare l'energia solare
con un'efficienza -
13:49 - 13:52che è fuori dalla portata
dai pannelli fotovoltaici di oggi. -
13:52 - 13:54Se riuscissimo a capire
le interazioni quantistiche -
13:54 - 13:58usate dalle piante per assorbire
la luce solare in modo così efficiente, -
13:58 - 14:02potremmo usare quella conoscenza
per creare circuiti sintetici di DNA -
14:02 - 14:05che sarebbero un materiale per creare
pannelli fotovoltaici migliori. -
14:05 - 14:09In questo momento ci sono gruppi
di scienziati che se ne occupano, -
14:09 - 14:12quindi, con la giusta attenzione
e i giusti investimenti -
14:12 - 14:15potrebbero essere realizzati
in 10 o 15 anni. -
14:15 - 14:19Siamo dunque all'inizio
di una rivoluzione tecnologica. -
14:19 - 14:22Comprendere questa forma antica
di computazione biologica -
14:22 - 14:24rappresenta il primo importante passo.
-
14:24 - 14:26Se riusciremo a farlo,
-
14:26 - 14:29entreremo nell'era di un sistema operativo
-
14:29 - 14:31che gestisce software vivente.
-
14:31 - 14:32Grazie mille.
-
14:32 - 14:34(Applausi)
- Title:
- La prossima rivoluzione del software: programmare cellule biologiche
- Speaker:
- Sara-Jane Dunn
- Description:
-
Le cellule dei nostri corpi sono come il software di un computer: sono "programmate" per svolgere determinate funzioni in determinati momenti. Come ci spiega la biologa computazionale Sara-Jane Dunn, capire meglio questo processo ci permetterebbe di acquisire la capacità di riprogrammare le cellule. In una conferenza che parla di scienza all'avanguardia, Dunn ci spiega come il suo team stia studiando le cellule staminali embrionali per comprendere maggiormente il funzionamento dei programmi biologici alla base della vita e per sviluppare un "software vivente" in grado di trasformare gli ambiti della medicina, dell'agricoltura e dell'energia.
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 14:47
Nicoletta Pedrana approved Italian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Nicoletta Pedrana edited Italian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Nicoletta Pedrana accepted Italian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Nicoletta Pedrana edited Italian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Nicoletta Pedrana edited Italian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Nicoletta Pedrana edited Italian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
Elena Pedretti edited Italian subtitles for The next software revolution: programming biological cells | ||
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