A próxima revolução do "software": programar células biológicas

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.

A segunda metade do século passado

foi definida
por uma revolução tecnológica:

a revolução do "software".

A capacidade de programar eletrões
num material chamado silício

viabilizou tecnologias,
empresas e indústrias

que eram inimagináveis
para muitos de nós,

mas que vieram alterar a forma
como o mundo funciona.

Contudo, a primeira metade deste século

vai ser transformada por uma
nova revolução de "software":

a revolução de "software" vivo,

potenciada pela capacidade
de programar a bioquímica

num material chamado biologia.

Quando o fizermos, poderemos
aproveitar as propriedades da biologia

para gerar novos tipos de terapias,

para reparar tecidos danificados,

para reprogramar células defeituosas

ou até construir sistemas operativos
programáveis a partir da bioquímica.

Se conseguirmos fazê-lo
— e temos de o conseguir —

o seu impacto será de tal dimensão

que a primeira revolução de "software"
será quase irrelevante em comparação,

porque o "software" vivo
irá transformar toda a medicina,

a agricultura e a energia,

e estes são os setores que fazem as áreas
dominadas pela TI parecerem pequenas.

Pensem em plantas programáveis
que fixam o azoto de forma mais eficaz

ou resistem a agentes patogénicos
fúngicos emergentes

ou pensem em programar as colheitas
para serem perenes em vez de anuais

para poderem duplicar a produção anual.

Isso irá transformar a agricultura

e a forma como alimentamos
a nossa população crescente.

Pensem em imunidade programável,

poder desenhar e aproveitar dispositivos
moleculares que guiam o sistema imunitário

para detetar, erradicar
e até evitar doenças.

Isso irá transformar a medicina

e a forma como mantemos saudável
a crescente população envelhecida.

Já temos muitas das ferramentas
que tornam possível o "software" vivo,

Podemos editar genes
com precisão com o CRISPR.

Podemos reescrever o código genético
uma base de cada vez.

Até podemos criar circuitos sintéticos
que funcionam a partir do ADN.

Mas perceber como e quando
manejar estas ferramentas

ainda é um processo de tentativa e erro.

É necessário um conhecimento profundo
e anos de especialização.

É difícil descobrir
protocolos experimentais

e, muito frequentemente,
difíceis de reproduzir.

Em biologia, temos a tendência
de nos focarmos muito nas partes,

mas todos sabemos
que não é a estudar penas

que aprendemos a voar.

Programar biologia ainda não é tão simples
como programar um computador

E, para piorar a situação,

os sistemas vivos não se parecem
com os sistemas artificiais

que todos nós programamos, todos os dias.

Ao contrário dos sistemas artificiais,

os sistemas vivos geram-se
e auto-organizam-se, automaticamente,

funcionam à escala molecular.

Estas interações, a nível molecular,

produzem, geralmente, resultados
à escala macroscópica.

Podem até autorreparar-se.

Pensem, por exemplo,
na humilde planta doméstica

como a da lareira lá de casa,

que nos esquecemos sempre de regar.

A planta tem de acordar todos os dias,
apesar da nossa negligência,

e perceber como distribuir
os seus recursos.

Vai crescer, fazer fotossíntese,
produzir sementes ou flores?

Uma decisão que tem de ser feita
ao nível de todo o organismo.

Mas a planta não tem um cérebro
para controlar isso tudo.

Tem de fazê-lo com as células das folhas.

Elas têm de reagir ao meio envolvente

e tomar decisões
que afetam toda a planta.

De qualquer forma, tem de existir
um programa dentro dessas células,

um programa que reage
aos sinais e informações exteriores

e determinam como a célula vai agir.

Então, esses programas
devem operar de forma distribuída

por cada uma das células,

para se poderem coordenar
e a planta poder crescer e florir.

Se entendermos estes
programas biológicos,

se conseguirmos entender
a informática biológica

transformaremos a forma
como entendemos

a forma e a razão por que
as células fazem o que fazem.

Porque, se entendermos estes programas

poderemos depurá-los
quando uma coisa corre mal.

Ou poderemos aprender
como conceber os circuitos sintéticos

que exploram o poder
informático da bioquímica.

A minha paixão por esta área
levou-me a uma carreira em investigação

na interseção da matemática,
das ciências computacionais e da biologia.

No meu trabalho, concentro-me no conceito
de biologia, enquanto informática.

Isso significa entender
como é que as células calculam,

e como podemos descobrir
estes programas biológicos.

Comecei a fazer estas perguntas
juntamente com colaboradores brilhantes

da Microsoft Research
e da Universidade de Cambridge.

Queríamos entender

o programa biológico
de um tipo único de célula:

uma célula estaminal embrionária.

Estas células são únicas
porque são totalmente ingénuas.

Podem transformar-se
em tudo o que quiserem:

um neurónio, uma célula do coração,
de um osso, do pulmão,

qualquer tipo de célula adulta.

Esta simplicidade
distingue-as das outras células,

mas também captou a imaginação
da comunidade cientifica,

que entendeu que, se pudéssemos
utilizar esse potencial,

teríamos uma ferramenta
muito poderosa para a medicina.

Se conseguirmos descobrir
como estas células decidem

tornarem-se determinado
tipo de célula,

poderemos utilizar essa informação

para gerar as células necessárias

para reparar tecidos
mortos ou danificados.

Mas chegar aí tem os seus problemas.

até porque estas células

só aparecem seis dias depois da conceção

e ao fim de um dia desaparecem.

Ativaram os diferentes caminhos

que formam todas as estruturas
e órgãos do corpo adulto.

Mas os destinos das células
são muito mais plásticos

do que imaginávamos.

Há 13 anos cientistas
mostraram uma coisa revolucionária.

Ao inserir alguns genes
numa célula adulta,

por exemplo, numa célula da pele,

é possível transformar essa célula
devolvendo-lhe o estado ingénuo.

É um processo conhecido
como ''reprogramação'',

e permite-nos imaginar um tipo
de utopia das células tronco,

a capacidade de agarrar numa amostra
das células do paciente,

devolver-lhes o estado simples

e utilizar essas células para fazer
aquilo de que o paciente precisa,

sejam células cerebrais
ou células cardíacas.

Mas, durante a década passada,

descobrir como mudar
o destino de uma célula

ainda é um processo de tentativa e erro.

Mesmo nos casos em que descobrimos
protocolos experimentais de sucesso

eles ainda não são eficazes

e falta-nos a compreensão fundamental
de como funcionam e porquê.

Se descobrirmos como transformar
uma célula tronco numa célula cardíaca,

isso não nos diz como transformar
uma célula tronco numa célula cerebral.

Então, nós queríamos perceber
o programa biológico

que funciona no interior
de uma célula tronco embrionária

e entender o processamento
realizado por um sistema vivo,

começando com uma pergunta
extremamente simples:

O que é que este sistema tem de fazer?

A informática, atualmente,
tem uma série de estratégias

para lidar com o que o "software"
e o "hardware" têm de fazer.

Quando escrevemos um programa
ou codificamos um "software",

queremos que o "software"
funcione corretamente.

Queremos desempenho,
funcionalidade.

Queremos evitar defeitos
que podem custar caro.

Por isso, quando se escreve um programa,

é preciso escrever
um conjunto de especificações.

É o que o nosso programa deve fazer.

Talvez possa comparar
o tamanho de dois números

ou ordenar números por ordem crescente.

Há tecnologias que nos permitem
verificar automaticamente

se as nossas especificações
estão a ser obedecidas,

se esse programa está a fazer
aquilo que deve fazer.

Portanto, a nossa ideia
era no mesmo sentido,

observações experimentais,
coisas que possamos medir no laboratório,

que correspondam às especificações
do que o programa biológico deve fazer.

Só precisávamos de imaginar uma forma

de codificar este novo tipo
de especificações.

Digamos que temos trabalhado
no laboratório a medir os genes

e descobrimos que,
se o gene A está ativo,

o gene B ou o gene C parece estar ativo.

Podemos anotar essa observação
como uma expressão matemática,

se pudermos usar a linguagem da lógica:

Se A, então B ou C.

Ora bem, este é um exemplo muito simples.

É só para ilustrar o ponto de vista.

Podemos codificar expressões complexas

que captam o comportamento
de múltiplos genes ou proteínas,

ao longo do tempo,

através de múltiplas
experiências diferentes.

Ao traduzirmos as nossas observações

em expressões matemáticas,

torna-se possível testar
se estas observações aparecem ou não,

a partir de um programa
de interações genéticas.

Desenvolvemos uma ferramenta
para fazer isto.

Conseguimos usar esta ferramenta
para codificar observações

sob a forma de expressões matemáticas

e depois, essa ferramenta ajudar-nos-á
a descodificar o programa genético

que pode explicar tudo isso.

Depois, aplicamos esta abordagem

para descobrir o programa genético
no interior das células tronco

para ver se podemos compreender
como induzir esse estado simples.

Essa ferramenta já foi construída

num solucionador distribuído
por todo o mundo

para verificação
de "software" convencional.

Começámos com um conjunto
de quase 50 especificações diferentes

que gerámos a partir de observações
experimentais de células tronco.

Ao codificar essas observações
nesta ferramenta,

conseguimos descobrir
o primeiro programa molecular

que pode explicar tudo isso.

Isto é uma façanha, só por si, não acham?

Conseguir reconciliar
todas essas observações diferentes

não é o tipo de coisa que possamos
fazer no verso de um envelope,

mesmo que esse envelope
seja muito grande.

Como obtivemos
este tipo de compreensão,

conseguimos dar
mais um passo em frente.

Pudemos usar este programa
para prever o que esta célula pode fazer

em condições
em que não a tínhamos testado.

Conseguimos realizar
uma experiência virtual.

Fizemos isso:

Gerámos previsões
que testámos no laboratório,

e descobrimos que este programa
era extremamente preditivo.

Disse-nos como podíamos
acelerar o progresso

até ao estado ingénuo,
de forma rápida e eficaz.

Disse-nos quais os genes
a visar para fazer isso,

quais os genes que podiam
impedir esse processo.

O programa até conseguiu prever a ordem
por que os genes deviam ser ativados.

Esta abordagem permitiu-nos
descobrir a dinâmica

do que as células estão a fazer.

Desenvolvemos um método que não é
específico para as células tronco.

Pelo contrário, permite-nos
perceber os cálculos

que a célula realiza,

no contexto das interações genéticas.

É de facto um bloco de construção.

Precisamos urgentemente
de desenvolver novas abordagens

para perceber a informática
biológica mais amplamente

e a diferentes níveis,

do ADN ao fluxo de informações
entre as células.

Só este tipo de compreensão transformativa

nos permitirá dominar a biologia
de formas previsíveis e fiáveis.

Mas, para programar biologia
também é necessário desenvolver

o tipo de ferramentas
e de linguagens

que permita que os cientistas
investigadores e informáticos

concebam a função biológica

e compilem essas conceções
na máquina codificadora da célula,

a sua bioquímica,

para podermos criar essas estruturas.

É uma coisa semelhante
a um compilador de "software" vivo

e tenho orgulho em fazer parte
duma equipa na Microsoft

que está a trabalhar para desenvolver uma.

Embora seja um eufemismo
dizer que é um grande desafio,

se for realizado,

será a ponte final entre
"software" e "wetware".

Mais amplamente, a programação
da biologia só vai ser possível

se conseguirmos transformar
esta área numa coisa interdisciplinar.

É preciso criar a ponte
entre as ciências físicas e as da vida.

e cientistas de cada uma
destas disciplinas

precisam de poder trabalhar juntos
com uma linguagem comum

e ter as mesmas perguntas científicas.

A longo prazo, vale a pena recordar
que as grandes empresas de "software"

e a tecnologia com que todos nós
trabalhamos todos os dias

dificilmente teria sido imaginada

na época em que começámos
a programar nos "microchips" de silício.

Se começarmos hoje a pensar
no potencial da tecnologia

capacitada pela biologia computacional,

veremos alguns desses passos
que precisamos de dar

para tornar isso numa realidade.

Há um pensamento sóbrio

de que este tipo de tecnologia
pode estar aberto a um mau uso.

Se quisermos falar do potencial

da programação das células imunitárias,

também devemos pensar
no potencial das bactérias

trabalhada para impedir isso.

Pode haver pessoas dispostas a fazer isso.

Um pensamento tranquilizador

é que — um pouco menos
para os cientistas —

é que a biologia é uma coisa frágil
com que podemos trabalhar.

Por isso, programar a biologia
não vai ser uma coisa

que se possa fazer no barracão do jardim.

Mas, como estamos no início,

podemos avançar de olhos bem abertos.

Podemos fazer as perguntas difíceis

podemos implementar
as necessárias salvaguardas

e, dentro desse âmbito,
temos de pensar na ética.

Temos de pensar em colocar limites

na implementação da função biológica.

A investigação na bioética
terá de ser uma prioridade.

Não pode ser relegada para segundo plano

na excitação da inovação científica.

Mas o prémio supremo,
o destino supremo deste percurso,

serão as aplicações revolucionárias
e as indústrias revolucionárias

em áreas da agricultura à medicina,
à energia e aos materiais

e até à própria informática.

Imaginem, um dia podemos estar
a alimentar a sustentabilidade do planeta

em relação à energia verde

se pudermos reproduzir uma coisa
que as plantas descobriram há milénios:

como aproveitar a energia do Sol
com uma eficácia sem paralelo

pelas nossas células solares.

Se compreendermos esse programa
de interações "quantum"

que permitem que as plantas
absorvam a luz solar de modo tão eficaz,

conseguiremos traduzir isso
em circuitos de ADN sintético

que oferecem o material
para as melhores células solares.

Há equipas e cientistas a trabalhar
nas bases disto, neste momento,

portanto, se dermos a atenção adequada
e o investimento adequado,

talvez isso possa acontecer
dentro de 10 a 15 anos.

Estamos no início
duma revolução tecnológica.

Compreender este antigo tipo
de informática biológica

é o primeiro passo fundamental.

Se conseguirmos percebê-lo,

entraremos na era
de um sistema operativo

que opera um "software" vivo.

Muito obrigada.

(Aplausos)