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