Como a criação de enzimas totalmente novas podia mudar o mundo

"Se o ADN é o manual da vida, as enzimas são os operários que transportam as suas instruções" afirma o biólogo químico, Adam Garske. Nesta conversa divertida e com demonstrações, ele mostra como os cientistas podem agora editar e desenhar enzimas para funções específicas - para ajudar a tratar doenças como a diabetes, criar detergente de roupa com eficiência energética e mesmo capturar gases estufa - e faz a sua própria uma experiência com enzimas em palco.

Tendo crescido no Wisconsin,
passava muito tempo ao ar livre.

Na primavera, sentia o aroma inebriante
da fragância dos lilases.

No verão, adorava o brilho elétrico
dos pirilampos

a voarem em círculos nas noites abafadas.

No outono, os pântanos resplandeciam
com o vermelho vivo dos arandos.

Até o inverno tinha o seu encanto,

com o ramo natalício dos pinheiros.

A Natureza sempre foi uma fonte
de admiração e inspiração.

Quando fui para a faculdade
estudar química, e nos anos seguintes,

comecei a compreender melhor
o mundo natural no pormenor molecular.

Tudo o que acabei de referir,

dos aromas a lilases e pinheiros

ao vermelho vivo dos arandos
e ao brilho dos pirilampos,

têm pelo menos uma coisa em comum:

são produzidos por enzimas.

Como disse, cresci no Wisconsin,
por isso, gosto de queijo

e dos Green Bay Packers.

Mas falemos de queijo por um minuto.

Pelo menos nos últimos 7000 anos,

que os humanos têm extraído
uma mistura de enzimas

dos estômagos das vacas,
das ovelhas e das cabras

e adicionaram-nas ao leite.

Isto faz o leite coalhar
e faz parte do processo de fazer queijo.

A enzima chave desta mistura
chama-se quimosina.

Vou mostrar-vos como funciona.

Aqui, tenho dois tubos.

e vou adicionar quimosina a um deles.

Só um segundo.

Agora o meu filho Anthony,
que tem oito anos,

queria muito ajudar a criar
uma experiência para a TED Talk,

e, então, nós estávamos na cozinha
a cortar fatias de ananases,

a extrair enzimas de batatas vermelhas

e a fazer todo o tipo de experiências
na cozinha.

Mas, por fim, achámos que a experiência
da quimosina era muito fixe.

E então, o que acontece aqui

é que a quimosina
está-se a misturar com o leite,

e está a ligar-se a uma proteína
chamada caseína.

O que faz a seguir é cortar a caseína

— é como uma tesoura molecular.

É essa ação de separação
que leva o leite a coalhar.

Aqui somos nós na cozinha a
trabalhar nisto.

OK.

Vamos fechar isto.

Vamos pôr estes de lado
e vamos deixar estes fervilhar um minuto.

OK.

Se o ADN é o manual da vida,

as enzimas são os operários
que executam as suas instruções.

Uma enzima é uma proteína
catalisadora,

apressa ou acelera uma reação química,

tal como a quimosina aqui
está a acelerar o coalhar do leite.

Mas não se trata apenas de queijo.

Além de terem uma função importante
nos nossos alimentos,

as enzimas também têm um papel em tudo,

desde a saúde de uma criança,

ao ataque aos maiores desafios ambientais

que temos hoje.

Os blocos de construção das enzimas
chamam-se aminoácidos.

Há vinte aminoácidos comuns,

e normalmente designamo-los com
abreviaturas de uma letra,

por isso há um alfabeto de aminoácidos

Numa enzima, estes aminoácidos
estão ligados,

como pérolas num colar.

E é a identidade dos aminoácidos

que lhes atribui as letras no colar,

a ordem em que estão,
o que soletram,

dando à enzima propriedades únicas
e diferenciando-a das outras enzimas.

Esta cadeia de aminoácidos
— este colar —

desdobra-se numa estrutura
de ordem superior

E se nos aproximarmos do nível molecular

e olharmos para a quimosina,
a enzima que temos aqui,

verão que tem este aspeto.

São todos estes cordões, laços,
hélices e nós e voltas,

e tem de ter esta estrutura
para funcionar adequadamente.

Atualmente,
podemos fazer enzimas em micróbios,

podendo ser numa bactéria
ou numa levedura, por exemplo.

E a maneira de o fazermos
é pegar numa parte de ADN

que tem o código da enzima
que nos interessa,

introduzimo-lo nesse micróbio,

e deixamos o micróbio usar
a sua própria maquinaria, os seus meios,

para produzir a enzima.

Hoje, se queremos quimosina,
já não precisamos de um vitelo

— conseguimo-la a partir de um micróbio.

E o que é ainda melhor

é que podemos escolher
sequências de ADN específicos

para fazer todas as enzimas
que quisermos,

coisas que não existem na Natureza.

Acho que a parte mais divertida

é tentar desenhar uma enzima
para uma nova aplicação,

organizar os átomos, só isso.

O ato de tirar uma enzima da Natureza
e brincar com esses aminoácidos,

mexendo nas letras,

adicionando umas,
tirando outras,

talvez reorganizando um pouco,

é um pouco como encontrar um livro,

e editar alguns capítulos
ou mudar o final.

Em 2018, o prémio Nobel da química

foi atribuído ao desenvolvimento
desta abordagem,

que é agora conhecida como
evolução dirigida.

Atualmente podemos aproveitar
os poderes da evolução dirigida

para conceber enzimas
com fins específicos,

e um deles é conceber enzimas
para aplicação em novas áreas,

como a lavandaria.

Tal como as enzimas no nosso corpo

podem ajudar a digerir
os alimentos que comemos,

as enzimas no detergente da roupa

podem ajudar a eliminar
as manchas na roupa.

Acontece que 90% da energia
usada na lavagem

é para aquecer a água.

E essa é uma boa razão

porque a água mais quente
ajuda a limpar a roupa.

Mas, e se conseguíssemos
lavar a roupa em água fria?

Certamente íamos poupar algum dinheiro,

e além disso,

de acordo com alguns cálculos
feitos pela Procter and Gamble,

se todas as casas no EUA
lavassem a roupa com água fria,

pouparíamos 32 toneladas
de emissões de CO2 por ano.

É imenso, é mais ou menos
o equivalente

ao dióxido de carbono emitido
por 6,3 milhões de carros

Então, como vamos conceber uma enzima

para concretizar estas mudanças?

As enzimas não se desenvolveram
para limpar a roupa suja,

muito menos em água fria.

Mas podemos ir à Natureza
e encontrar um ponto de partida.

Podemos encontrar uma enzima
com alguma atividade inicial,

algum barro com que possamos trabalhar.

Este é um exemplo de uma tal enzima,
aqui no ecrã.

E podemos começar a brincar
com esses aminoácidos, como referi,

adicionando e tirando letras,

reorganizando-as.

E ao fazê-lo, podemos gerar
milhares de enzimas.

E podemos pegar nessas enzimas,

e testá-las em pequenas placas
como estas.

Então, a placa que tenho nas mãos

contém 96 orifícios

Em cada orifício há um pedaço
de tecido com uma nódoa.

E podemos medir
como cada enzima

consegue remover as nódoas
destes tecidos,

e desse modo ver quão bem funciona.

E podemos fazê-lo usando a robótica,

tal como vão ver
a seguir no ecrã.

OK, fazemos isto e acontece que

algumas das enzimas são uma espécie
de aproximação da enzima inicial.

Nada de extraordinário.

Algumas são piores e eliminamo-las.

E depois há algumas melhores.

Essas melhores tornam-se a versão 1.0.

Essas são as enzimas
que podemos desenvolver,

e podemos repetir este ciclo
vezes sem conta.

É a repetição deste ciclo
que nos leva a uma nova enzima,

uma enzima que faça o que queremos.

E depois de vários destes ciclos,
conseguimos algo novo.

Então, podem ir hoje a um supermercado
e comprar um detergente de roupa

que permite lavar com água fria
pois contém enzimas como esta aqui.

E quero mostrar-vos como isto
funciona também.

Tenho aqui mais dois tubos,

e ambos têm novamente leite.

Vou-vos mostrar,

vou adicionar esta enzima a um tubo

e outro tubo onde vou adicionar água.

Este é o tubo de controlo,

por isso nada deve acontecer nele.

Devem achar curioso que eu
faça isto com leite.

Mas a razão para eu fazer isto

é porque o leite
está cheio de proteínas,

e é muito fácil ver esta enzima
a funcionar numa solução proteica,

porque é mestre a cortar as proteínas,

é a sua função

Vamos pôr isto aqui.

Como referi, é mestre a cortar proteínas

e o que podemos fazer é extrapolar
o que faz neste leite

para o que faria na vossa roupa suja.

Por isso, isto é uma forma de visualizar
o que iria acontecer.

OK, ambos entraram.

E agora vou fechar este
e este também.

OK, vamos deixar este aqui
com a amostra de quimosina,

e voltaremos a estes
mais perto do fim.

Bom, o que há no horizonte
da criação de enzimas?

Certamente, vai ser mais rápido.

Há agora abordagens
para desenvolver enzimas

que permitem aos investigadores
ter muito mais amostras

além do que acabo de vos mostrar.

E além de usarem enzimas naturais,

como estamos a fazer,

alguns cientistas tentam agora criar
enzimas do zero,

usando a aprendizagem automática,
uma abordagem da inteligência artificial,

para conceber as enzimas.

Há outros que estão a adicionar
aminoácidos não naturais à mistura.

Estivemos a falar
de 20 aminoácidos naturais,

os aminoácidos comuns.

Eles adicionam aminoácidos artificiais

para fazerem enzimas com propriedades
diferentes do que existe na Natureza.

É uma área muito clara.

Como é que as enzimas artificiais
nos vão afetar nos próximos anos?

Bem, vou-me focar em duas áreas:

a saúde humana e o ambiente.

Algumas empresas farmacêuticas

têm hoje equipas dedicadas
a conceber enzimas

para fazer medicamentos mais eficientes
e com menos catalisadores tóxicos.

Por exemplo, o Januvia,

que é um medicamento para
tratar a diabetes tipo 2,

é parcialmente feito de enzimas.

O número de medicamentos
feitos com enzimas vai aumentar.

Noutra área,

há algumas doenças

em que uma única enzima
não funciona bem no corpo de alguém.

Um exemplo é a fenilcetonúria,

ou abreviado PKU.

Pessoas com PKU não metabolizam
ou digerem bem a fenilalanina,

que é um dos 20 aminoácidos comuns
de que temos falado.

A consequência de ingerir fenilalanina
para as pessoas com PKU

é que sofrem de
deficiências intelectuais permanentes,

por isso é algo assustador para se ter.

Aqueles que têm filhos...

alguém aqui tem filhos?

Muitos de vocês.

Podem estar familiarizados com a PKU,

porque todas as crianças nos EUA
têm de fazer o teste da PKU.

Lembro-me de quando o meu filho,
fez o teste do pezinho.

O grande desafio disto é:
o que é que comemos?

A fenilalalina está em tantos alimentos
que é muito difícil de evitar.

O Anthony tem alergia a frutos secos
e eu pensava que era difícil,

mas o PKU é outro nível de dureza.

Mas as novas enzimas,
podem em breve permitir aos doentes PKU

comer o que quiserem.

Recentemente a FDA aprovou uma enzima
concebida para tratar a PKU.

É uma grande notícia para os doentes,

e é mesmo uma grande notícia

no campo da terapêutica geral
de substituição de enzimas,

porque há outros alvos por aí
em que seria uma boa abordagem.

Isto um bocadinho acerca da saúde.

Agora vamos falar de ambiente.

Quando soube da
Grande Mancha de Lixo do Pacífico

— a propósito, é como
uma enorme ilha de plástico,

algures entre a Califórnia e o Hawai —

e sobre microplásticos
em quase todo o lado,

É preocupante.

Os plásticos não vão desaparecer tão cedo.

Mas as enzimas também
nos podem ajudar nesta área.

Descobriram-se bactérias produtoras
de enzimas que decompõem os plásticos

Estão a decorrer esforços para criar
versões melhoradas destas enzimas.

Ao mesmo tempo, há enzimas
que foram descobertas

e que estão a ser otimizadas

para fazer plásticos biodegradáveis
não derivados de petróleo.

As enzimas também podem ajudar
a capturar gases com efeito estufa,

tais como o dióxido de carbono,
o metano e o óxido de azoto.

Não há dúvida
que estas são grandes mudanças

e nenhuma é fácil.

Conseguir aproveitar as enzimas
pode ajudar a resolver isto no futuro,

por isso, essa é outra área
para termos expectativas.

Agora vou voltar à demonstração

— esta é a parte divertida.

Vamos começar
com as amostras de quimosina.

Vou pôr estas aqui.

E podem ver aqui,

este é o que tinha água,

e não devia acontecer nada ao leite.

Este levou a quimosina.

Podem ver que clareou totalmente
aqui em cima.

Existe toda esta parte coalhada,
é queijo,

acabamos de fazer queijo
em poucos minutos.

Esta é a reação,

que as pessoas têm feito
há milhares e milhares de anos.

Penso fazer esta
no próximo dia da ciência das crianças

mas eles podem ser
um público difícil, pelo que veremos.

(Risos)

A outra que quero mostrar é esta.

Esta é a enzima para
lavar a roupa suja.

Podem ver que é diferente
daquela em que adicionámos água.

Tem uma espécie de clarificador,

e é mesmo isso que queremos
que a enzima faça à roupa suja,

porque queremos conseguir
ter uma enzima

que possa ser um triturador de proteínas,
que as engula,

porque vamos ter nódoas
de proteínas diferentes nas roupas,

como leite com chocolate
ou gorduras, por exemplo,

e algo como isto
vai ajudar a tirar essas nódoas.

E vai ser isto que também vai permitir

lavar a roupa com água fria,
reduzir a pegada de carbono,

e ainda poupar dinheiro.

Bem, fizemos um longo caminho,

considerando a viagem de 7000 anos
desde as enzimas a fazer queijo

à atual conceção de enzimas.

Estamos de facto
numa encruzilhada criativa,

e com as enzimas, podemos editar
o que a Natureza escreveu

ou escrever a nossa história
com os aminoácidos.

Então, da próxima vez que estiverem
na rua, numa noite abafada

e virem um pirilampo,

espero que pensem nas enzimas.

Elas fazem
coisas extraordinárias por nós hoje.

E através da criação,

podem ser ainda
mais extraordinárias amanhã.

Obrigado.

(Aplausos)