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A próxima revolução do "software": programar células biológicas

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    A segunda metade do século passado
  • 0:04 - 0:07
    foi definida
    por uma revolução tecnológica:
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    a revolução do "software".
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    A capacidade de programar eletrões
    num material chamado silício
  • 0:14 - 0:17
    viabilizou tecnologias,
    empresas e indústrias
  • 0:17 - 0:21
    que eram inimagináveis
    para muitos de nós,
  • 0:21 - 0:25
    mas que vieram alterar a forma
    como o mundo funciona.
  • 0:26 - 0:28
    Contudo, a primeira metade deste século
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    vai ser transformada por uma
    nova revolução de "software":
  • 0:32 - 0:35
    a revolução de "software" vivo,
  • 0:35 - 0:39
    potenciada pela capacidade
    de programar a bioquímica
  • 0:39 - 0:41
    num material chamado biologia.
  • 0:41 - 0:46
    Quando o fizermos, poderemos
    aproveitar as propriedades da biologia
  • 0:46 - 0:48
    para gerar novos tipos de terapias,
  • 0:48 - 0:50
    para reparar tecidos danificados,
  • 0:50 - 0:53
    para reprogramar células defeituosas
  • 0:53 - 0:58
    ou até construir sistemas operativos
    programáveis a partir da bioquímica.
  • 0:58 - 1:02
    Se conseguirmos fazê-lo
    — e temos de o conseguir —
  • 1:02 - 1:04
    o seu impacto será de tal dimensão
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    que a primeira revolução de "software"
    será quase irrelevante em comparação,
  • 1:08 - 1:12
    porque o "software" vivo
    irá transformar toda a medicina,
  • 1:12 - 1:14
    a agricultura e a energia,
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    e estes são os setores que fazem as áreas
    dominadas pela TI parecerem pequenas.
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    Pensem em plantas programáveis
    que fixam o azoto de forma mais eficaz
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    ou resistem a agentes patogénicos
    fúngicos emergentes
  • 1:26 - 1:30
    ou pensem em programar as colheitas
    para serem perenes em vez de anuais
  • 1:30 - 1:32
    para poderem duplicar a produção anual.
  • 1:32 - 1:34
    Isso irá transformar a agricultura
  • 1:34 - 1:38
    e a forma como alimentamos
    a nossa população crescente.
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    Pensem em imunidade programável,
  • 1:41 - 1:45
    poder desenhar e aproveitar dispositivos
    moleculares que guiam o sistema imunitário
  • 1:45 - 1:49
    para detetar, erradicar
    e até evitar doenças.
  • 1:49 - 1:51
    Isso irá transformar a medicina
  • 1:51 - 1:55
    e a forma como mantemos saudável
    a crescente população envelhecida.
  • 1:56 - 2:00
    Já temos muitas das ferramentas
    que tornam possível o "software" vivo,
  • 2:00 - 2:02
    Podemos editar genes
    com precisão com o CRISPR.
  • 2:02 - 2:05
    Podemos reescrever o código genético
    uma base de cada vez.
  • 2:05 - 2:10
    Até podemos criar circuitos sintéticos
    que funcionam a partir do ADN.
  • 2:10 - 2:13
    Mas perceber como e quando
    manejar estas ferramentas
  • 2:13 - 2:16
    ainda é um processo de tentativa e erro.
  • 2:16 - 2:19
    É necessário um conhecimento profundo
    e anos de especialização.
  • 2:19 - 2:22
    É difícil descobrir
    protocolos experimentais
  • 2:22 - 2:25
    e, muito frequentemente,
    difíceis de reproduzir.
  • 2:25 - 2:30
    Em biologia, temos a tendência
    de nos focarmos muito nas partes,
  • 2:30 - 2:33
    mas todos sabemos
    que não é a estudar penas
  • 2:33 - 2:35
    que aprendemos a voar.
  • 2:35 - 2:39
    Programar biologia ainda não é tão simples
    como programar um computador
  • 2:39 - 2:41
    E, para piorar a situação,
  • 2:41 - 2:45
    os sistemas vivos não se parecem
    com os sistemas artificiais
  • 2:45 - 2:48
    que todos nós programamos, todos os dias.
  • 2:48 - 2:50
    Ao contrário dos sistemas artificiais,
  • 2:50 - 2:53
    os sistemas vivos geram-se
    e auto-organizam-se, automaticamente,
  • 2:53 - 2:55
    funcionam à escala molecular.
  • 2:55 - 2:57
    Estas interações, a nível molecular,
  • 2:57 - 3:00
    produzem, geralmente, resultados
    à escala macroscópica.
  • 3:01 - 3:03
    Podem até autorreparar-se.
  • 3:04 - 3:07
    Pensem, por exemplo,
    na humilde planta doméstica
  • 3:07 - 3:10
    como a da lareira lá de casa,
  • 3:10 - 3:12
    que nos esquecemos sempre de regar.
  • 3:12 - 3:15
    A planta tem de acordar todos os dias,
    apesar da nossa negligência,
  • 3:15 - 3:18
    e perceber como distribuir
    os seus recursos.
  • 3:18 - 3:22
    Vai crescer, fazer fotossíntese,
    produzir sementes ou flores?
  • 3:22 - 3:26
    Uma decisão que tem de ser feita
    ao nível de todo o organismo.
  • 3:26 - 3:29
    Mas a planta não tem um cérebro
    para controlar isso tudo.
  • 3:29 - 3:32
    Tem de fazê-lo com as células das folhas.
  • 3:32 - 3:34
    Elas têm de reagir ao meio envolvente
  • 3:34 - 3:37
    e tomar decisões
    que afetam toda a planta.
  • 3:37 - 3:41
    De qualquer forma, tem de existir
    um programa dentro dessas células,
  • 3:41 - 3:43
    um programa que reage
    aos sinais e informações exteriores
  • 3:43 - 3:46
    e determinam como a célula vai agir.
  • 3:46 - 3:49
    Então, esses programas
    devem operar de forma distribuída
  • 3:49 - 3:51
    por cada uma das células,
  • 3:51 - 3:54
    para se poderem coordenar
    e a planta poder crescer e florir.
  • 3:56 - 3:59
    Se entendermos estes
    programas biológicos,
  • 3:59 - 4:02
    se conseguirmos entender
    a informática biológica
  • 4:02 - 4:05
    transformaremos a forma
    como entendemos
  • 4:05 - 4:08
    a forma e a razão por que
    as células fazem o que fazem.
  • 4:08 - 4:10
    Porque, se entendermos estes programas
  • 4:10 - 4:13
    poderemos depurá-los
    quando uma coisa corre mal.
  • 4:13 - 4:17
    Ou poderemos aprender
    como conceber os circuitos sintéticos
  • 4:17 - 4:21
    que exploram o poder
    informático da bioquímica.
  • 4:22 - 4:26
    A minha paixão por esta área
    levou-me a uma carreira em investigação
  • 4:26 - 4:29
    na interseção da matemática,
    das ciências computacionais e da biologia.
  • 4:29 - 4:34
    No meu trabalho, concentro-me no conceito
    de biologia, enquanto informática.
  • 4:34 - 4:38
    Isso significa entender
    como é que as células calculam,
  • 4:38 - 4:41
    e como podemos descobrir
    estes programas biológicos.
  • 4:42 - 4:46
    Comecei a fazer estas perguntas
    juntamente com colaboradores brilhantes
  • 4:46 - 4:48
    da Microsoft Research
    e da Universidade de Cambridge.
  • 4:48 - 4:50
    Queríamos entender
  • 4:50 - 4:55
    o programa biológico
    de um tipo único de célula:
  • 4:55 - 4:57
    uma célula estaminal embrionária.
  • 4:57 - 5:00
    Estas células são únicas
    porque são totalmente ingénuas.
  • 5:00 - 5:03
    Podem transformar-se
    em tudo o que quiserem:
  • 5:03 - 5:05
    um neurónio, uma célula do coração,
    de um osso, do pulmão,
  • 5:05 - 5:07
    qualquer tipo de célula adulta.
  • 5:07 - 5:10
    Esta simplicidade
    distingue-as das outras células,
  • 5:10 - 5:12
    mas também captou a imaginação
    da comunidade cientifica,
  • 5:12 - 5:15
    que entendeu que, se pudéssemos
    utilizar esse potencial,
  • 5:15 - 5:18
    teríamos uma ferramenta
    muito poderosa para a medicina.
  • 5:18 - 5:21
    Se conseguirmos descobrir
    como estas células decidem
  • 5:21 - 5:23
    tornarem-se determinado
    tipo de célula,
  • 5:23 - 5:24
    poderemos utilizar essa informação
  • 5:24 - 5:26
    para gerar as células necessárias
  • 5:26 - 5:30
    para reparar tecidos
    mortos ou danificados.
  • 5:30 - 5:33
    Mas chegar aí tem os seus problemas.
  • 5:33 - 5:36
    até porque estas células
  • 5:36 - 5:38
    só aparecem seis dias depois da conceção
  • 5:39 - 5:41
    e ao fim de um dia desaparecem.
  • 5:41 - 5:43
    Ativaram os diferentes caminhos
  • 5:43 - 5:46
    que formam todas as estruturas
    e órgãos do corpo adulto.
  • 5:48 - 5:51
    Mas os destinos das células
    são muito mais plásticos
  • 5:51 - 5:52
    do que imaginávamos.
  • 5:52 - 5:57
    Há 13 anos cientistas
    mostraram uma coisa revolucionária.
  • 5:57 - 6:02
    Ao inserir alguns genes
    numa célula adulta,
  • 6:02 - 6:04
    por exemplo, numa célula da pele,
  • 6:04 - 6:08
    é possível transformar essa célula
    devolvendo-lhe o estado ingénuo.
  • 6:08 - 6:11
    É um processo conhecido
    como ''reprogramação'',
  • 6:11 - 6:14
    e permite-nos imaginar um tipo
    de utopia das células tronco,
  • 6:14 - 6:18
    a capacidade de agarrar numa amostra
    das células do paciente,
  • 6:18 - 6:20
    devolver-lhes o estado simples
  • 6:20 - 6:24
    e utilizar essas células para fazer
    aquilo de que o paciente precisa,
  • 6:24 - 6:26
    sejam células cerebrais
    ou células cardíacas.
  • 6:27 - 6:28
    Mas, durante a década passada,
  • 6:28 - 6:31
    descobrir como mudar
    o destino de uma célula
  • 6:31 - 6:34
    ainda é um processo de tentativa e erro.
  • 6:34 - 6:38
    Mesmo nos casos em que descobrimos
    protocolos experimentais de sucesso
  • 6:38 - 6:40
    eles ainda não são eficazes
  • 6:40 - 6:44
    e falta-nos a compreensão fundamental
    de como funcionam e porquê.
  • 6:45 - 6:48
    Se descobrirmos como transformar
    uma célula tronco numa célula cardíaca,
  • 6:48 - 6:52
    isso não nos diz como transformar
    uma célula tronco numa célula cerebral.
  • 6:53 - 6:56
    Então, nós queríamos perceber
    o programa biológico
  • 6:56 - 6:58
    que funciona no interior
    de uma célula tronco embrionária
  • 6:58 - 7:02
    e entender o processamento
    realizado por um sistema vivo,
  • 7:02 - 7:06
    começando com uma pergunta
    extremamente simples:
  • 7:06 - 7:09
    O que é que este sistema tem de fazer?
  • 7:10 - 7:13
    A informática, atualmente,
    tem uma série de estratégias
  • 7:13 - 7:16
    para lidar com o que o "software"
    e o "hardware" têm de fazer.
  • 7:16 - 7:19
    Quando escrevemos um programa
    ou codificamos um "software",
  • 7:19 - 7:21
    queremos que o "software"
    funcione corretamente.
  • 7:22 - 7:23
    Queremos desempenho,
    funcionalidade.
  • 7:23 - 7:26
    Queremos evitar defeitos
    que podem custar caro.
  • 7:26 - 7:28
    Por isso, quando se escreve um programa,
  • 7:28 - 7:31
    é preciso escrever
    um conjunto de especificações.
  • 7:31 - 7:32
    É o que o nosso programa deve fazer.
  • 7:32 - 7:35
    Talvez possa comparar
    o tamanho de dois números
  • 7:35 - 7:37
    ou ordenar números por ordem crescente.
  • 7:37 - 7:42
    Há tecnologias que nos permitem
    verificar automaticamente
  • 7:42 - 7:44
    se as nossas especificações
    estão a ser obedecidas,
  • 7:44 - 7:47
    se esse programa está a fazer
    aquilo que deve fazer.
  • 7:47 - 7:50
    Portanto, a nossa ideia
    era no mesmo sentido,
  • 7:50 - 7:54
    observações experimentais,
    coisas que possamos medir no laboratório,
  • 7:54 - 7:58
    que correspondam às especificações
    do que o programa biológico deve fazer.
  • 7:59 - 8:01
    Só precisávamos de imaginar uma forma
  • 8:01 - 8:04
    de codificar este novo tipo
    de especificações.
  • 8:05 - 8:08
    Digamos que temos trabalhado
    no laboratório a medir os genes
  • 8:08 - 8:11
    e descobrimos que,
    se o gene A está ativo,
  • 8:11 - 8:14
    o gene B ou o gene C parece estar ativo.
  • 8:15 - 8:18
    Podemos anotar essa observação
    como uma expressão matemática,
  • 8:18 - 8:21
    se pudermos usar a linguagem da lógica:
  • 8:21 - 8:24
    Se A, então B ou C.
  • 8:24 - 8:27
    Ora bem, este é um exemplo muito simples.
  • 8:27 - 8:29
    É só para ilustrar o ponto de vista.
  • 8:29 - 8:31
    Podemos codificar expressões complexas
  • 8:31 - 8:34
    que captam o comportamento
    de múltiplos genes ou proteínas,
  • 8:34 - 8:36
    ao longo do tempo,
  • 8:36 - 8:39
    através de múltiplas
    experiências diferentes.
  • 8:39 - 8:41
    Ao traduzirmos as nossas observações
  • 8:41 - 8:43
    em expressões matemáticas,
  • 8:43 - 8:48
    torna-se possível testar
    se estas observações aparecem ou não,
  • 8:48 - 8:52
    a partir de um programa
    de interações genéticas.
  • 8:52 - 8:55
    Desenvolvemos uma ferramenta
    para fazer isto.
  • 8:55 - 8:57
    Conseguimos usar esta ferramenta
    para codificar observações
  • 8:58 - 8:59
    sob a forma de expressões matemáticas
  • 8:59 - 9:03
    e depois, essa ferramenta ajudar-nos-á
    a descodificar o programa genético
  • 9:03 - 9:05
    que pode explicar tudo isso.
  • 9:06 - 9:08
    Depois, aplicamos esta abordagem
  • 9:08 - 9:12
    para descobrir o programa genético
    no interior das células tronco
  • 9:12 - 9:16
    para ver se podemos compreender
    como induzir esse estado simples.
  • 9:16 - 9:18
    Essa ferramenta já foi construída
  • 9:18 - 9:21
    num solucionador distribuído
    por todo o mundo
  • 9:21 - 9:24
    para verificação
    de "software" convencional.
  • 9:24 - 9:27
    Começámos com um conjunto
    de quase 50 especificações diferentes
  • 9:27 - 9:32
    que gerámos a partir de observações
    experimentais de células tronco.
  • 9:32 - 9:35
    Ao codificar essas observações
    nesta ferramenta,
  • 9:35 - 9:38
    conseguimos descobrir
    o primeiro programa molecular
  • 9:38 - 9:40
    que pode explicar tudo isso.
  • 9:40 - 9:43
    Isto é uma façanha, só por si, não acham?
  • 9:43 - 9:46
    Conseguir reconciliar
    todas essas observações diferentes
  • 9:46 - 9:49
    não é o tipo de coisa que possamos
    fazer no verso de um envelope,
  • 9:49 - 9:52
    mesmo que esse envelope
    seja muito grande.
  • 9:52 - 9:54
    Como obtivemos
    este tipo de compreensão,
  • 9:54 - 9:56
    conseguimos dar
    mais um passo em frente.
  • 9:56 - 9:59
    Pudemos usar este programa
    para prever o que esta célula pode fazer
  • 9:59 - 10:02
    em condições
    em que não a tínhamos testado.
  • 10:02 - 10:05
    Conseguimos realizar
    uma experiência virtual.
  • 10:05 - 10:06
    Fizemos isso:
  • 10:06 - 10:09
    Gerámos previsões
    que testámos no laboratório,
  • 10:09 - 10:12
    e descobrimos que este programa
    era extremamente preditivo.
  • 10:12 - 10:15
    Disse-nos como podíamos
    acelerar o progresso
  • 10:15 - 10:18
    até ao estado ingénuo,
    de forma rápida e eficaz.
  • 10:18 - 10:21
    Disse-nos quais os genes
    a visar para fazer isso,
  • 10:21 - 10:23
    quais os genes que podiam
    impedir esse processo.
  • 10:23 - 10:28
    O programa até conseguiu prever a ordem
    por que os genes deviam ser ativados.
  • 10:29 - 10:32
    Esta abordagem permitiu-nos
    descobrir a dinâmica
  • 10:32 - 10:35
    do que as células estão a fazer.
  • 10:36 - 10:40
    Desenvolvemos um método que não é
    específico para as células tronco.
  • 10:40 - 10:42
    Pelo contrário, permite-nos
    perceber os cálculos
  • 10:42 - 10:44
    que a célula realiza,
  • 10:44 - 10:47
    no contexto das interações genéticas.
  • 10:47 - 10:49
    É de facto um bloco de construção.
  • 10:49 - 10:52
    Precisamos urgentemente
    de desenvolver novas abordagens
  • 10:52 - 10:54
    para perceber a informática
    biológica mais amplamente
  • 10:54 - 10:56
    e a diferentes níveis,
  • 10:56 - 11:00
    do ADN ao fluxo de informações
    entre as células.
  • 11:00 - 11:03
    Só este tipo de compreensão transformativa
  • 11:03 - 11:08
    nos permitirá dominar a biologia
    de formas previsíveis e fiáveis.
  • 11:09 - 11:12
    Mas, para programar biologia
    também é necessário desenvolver
  • 11:12 - 11:14
    o tipo de ferramentas
    e de linguagens
  • 11:14 - 11:18
    que permita que os cientistas
    investigadores e informáticos
  • 11:18 - 11:20
    concebam a função biológica
  • 11:20 - 11:24
    e compilem essas conceções
    na máquina codificadora da célula,
  • 11:24 - 11:25
    a sua bioquímica,
  • 11:25 - 11:27
    para podermos criar essas estruturas.
  • 11:27 - 11:31
    É uma coisa semelhante
    a um compilador de "software" vivo
  • 11:31 - 11:34
    e tenho orgulho em fazer parte
    duma equipa na Microsoft
  • 11:34 - 11:36
    que está a trabalhar para desenvolver uma.
  • 11:36 - 11:39
    Embora seja um eufemismo
    dizer que é um grande desafio,
  • 11:39 - 11:40
    se for realizado,
  • 11:40 - 11:44
    será a ponte final entre
    "software" e "wetware".
  • 11:45 - 11:48
    Mais amplamente, a programação
    da biologia só vai ser possível
  • 11:48 - 11:53
    se conseguirmos transformar
    esta área numa coisa interdisciplinar.
  • 11:53 - 11:56
    É preciso criar a ponte
    entre as ciências físicas e as da vida.
  • 11:56 - 11:58
    e cientistas de cada uma
    destas disciplinas
  • 11:58 - 12:01
    precisam de poder trabalhar juntos
    com uma linguagem comum
  • 12:01 - 12:04
    e ter as mesmas perguntas científicas.
  • 12:05 - 12:09
    A longo prazo, vale a pena recordar
    que as grandes empresas de "software"
  • 12:09 - 12:11
    e a tecnologia com que todos nós
    trabalhamos todos os dias
  • 12:11 - 12:13
    dificilmente teria sido imaginada
  • 12:13 - 12:16
    na época em que começámos
    a programar nos "microchips" de silício.
  • 12:16 - 12:19
    Se começarmos hoje a pensar
    no potencial da tecnologia
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    capacitada pela biologia computacional,
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    veremos alguns desses passos
    que precisamos de dar
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    para tornar isso numa realidade.
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    Há um pensamento sóbrio
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    de que este tipo de tecnologia
    pode estar aberto a um mau uso.
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    Se quisermos falar do potencial
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    da programação das células imunitárias,
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    também devemos pensar
    no potencial das bactérias
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    trabalhada para impedir isso.
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    Pode haver pessoas dispostas a fazer isso.
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    Um pensamento tranquilizador
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    é que — um pouco menos
    para os cientistas —
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    é que a biologia é uma coisa frágil
    com que podemos trabalhar.
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    Por isso, programar a biologia
    não vai ser uma coisa
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    que se possa fazer no barracão do jardim.
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    Mas, como estamos no início,
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    podemos avançar de olhos bem abertos.
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    Podemos fazer as perguntas difíceis
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    podemos implementar
    as necessárias salvaguardas
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    e, dentro desse âmbito,
    temos de pensar na ética.
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    Temos de pensar em colocar limites
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    na implementação da função biológica.
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    A investigação na bioética
    terá de ser uma prioridade.
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    Não pode ser relegada para segundo plano
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    na excitação da inovação científica.
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    Mas o prémio supremo,
    o destino supremo deste percurso,
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    serão as aplicações revolucionárias
    e as indústrias revolucionárias
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    em áreas da agricultura à medicina,
    à energia e aos materiais
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    e até à própria informática.
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    Imaginem, um dia podemos estar
    a alimentar a sustentabilidade do planeta
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    em relação à energia verde
  • 13:42 - 13:46
    se pudermos reproduzir uma coisa
    que as plantas descobriram há milénios:
  • 13:46 - 13:49
    como aproveitar a energia do Sol
    com uma eficácia sem paralelo
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    pelas nossas células solares.
  • 13:52 - 13:54
    Se compreendermos esse programa
    de interações "quantum"
  • 13:54 - 13:58
    que permitem que as plantas
    absorvam a luz solar de modo tão eficaz,
  • 13:58 - 14:02
    conseguiremos traduzir isso
    em circuitos de ADN sintético
  • 14:02 - 14:05
    que oferecem o material
    para as melhores células solares.
  • 14:05 - 14:09
    Há equipas e cientistas a trabalhar
    nas bases disto, neste momento,
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    portanto, se dermos a atenção adequada
    e o investimento adequado,
  • 14:12 - 14:15
    talvez isso possa acontecer
    dentro de 10 a 15 anos.
  • 14:15 - 14:19
    Estamos no início
    duma revolução tecnológica.
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    Compreender este antigo tipo
    de informática biológica
  • 14:22 - 14:24
    é o primeiro passo fundamental.
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    Se conseguirmos percebê-lo,
  • 14:26 - 14:29
    entraremos na era
    de um sistema operativo
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    que opera um "software" vivo.
  • 14:31 - 14:32
    Muito obrigada.
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    (Aplausos)
Title:
A próxima revolução do "software": programar células biológicas
Speaker:
Sara-Jane Dunn
Description:

As células do nosso corpo são como "software" de computador: estão "programadas" para desempenharem funções específicas em alturas específicas. Se conseguirmos compreender melhor este processo, talvez possamos descobrir a capacidade de reprogramar as células, diz a bióloga informática Sara-Jane Dunn. Numa palestra de ciência de ponta, explica como a sua equipa está a estudar as células estaminais embrionárias para melhorar a compreensão dos programas biológicos que alimentam a vida — e criar "software vivo" que pode transformar a medicina, a agricultura e a energia.

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Video Language:
English
Team:
TED
Project:
TEDTalks
Duration:
14:47

Portuguese subtitles

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