Cinco desafios que podemos solucionar por meio da criação de proteínas novas

As proteínas são máquinas moleculares extraordinárias: digerem o alimento, disparam os neurônios, fortalecem o sistema imunológico e muito mais. E se pudéssemos criar novas, com funções nunca antes vistas na natureza? Neste vislumbre extraordinário do futuro, David Baker compartilha como a equipe dele do Institute for Protein Design está criando proteínas totalmente novas a partir do zero - e mostra como elas poderiam nos ajudar a lidar com cinco desafios enormes enfrentados pela humanidade. (Este plano ambicioso faz parte do Audacious Project, iniciativa do TED para inspirar e financiar mudanças globais.)

Vou falar a vocês sobre as máquinas
mais incríveis do mundo

e o que podemos fazer agora com elas.

As proteínas,

algumas das quais vemos
no interior de uma célula,

desempenham basicamente todas
as funções importantes do corpo humano.

As proteínas digerem o alimento,

contraem os músculos,

disparam os neurônios

e fortalecem o sistema imunológico.

Tudo o que acontece na biologia -

quase -

acontece por causa das proteínas.

As proteínas são cadeias lineares
de blocos de construção

chamados aminoácidos.

A natureza usa um alfabeto
de 20 aminoácidos.

Vocês devem ter ouvido falar
dos nomes de alguns deles.

Nesta foto, em escala,
cada protuberância é um átomo.

Forças químicas entre os aminoácidos

fazem com que essas moléculas
longas e filamentosas

se dobrem em estruturas
tridimensionais únicas.

O processo de enovelamento,
embora pareça aleatório,

é, na verdade, muito preciso.

Cada proteína se dobra ao seu formato
característico a cada vez,

e o processo de enovelamento
leva apenas uma fração de segundo.

São as formas das proteínas

que permitem a elas realizarem
suas funções biológicas extraordinárias.

Por exemplo,

a hemoglobina tem uma forma nos pulmões

perfeitamente adequada
para ligar uma molécula de oxigênio.

Quando a hemoglobina
se move para o músculo,

a forma muda ligeiramente,

e o oxigênio sai.

As formas das proteínas

e, portanto, suas funções extraordinárias

são completamente especificadas

pela sequência de aminoácidos
na cadeia proteica.

Nesta foto, cada letra no topo
é um aminoácido.

De onde vêm essas sequências?

Os genes de seu genoma

especificam as sequências
de aminoácidos de suas proteínas.

Cada gene codifica a sequência
de aminoácidos de uma única proteína.

A tradução dessas
sequências de aminoácidos

para estruturas e funções das proteínas

é conhecida como o problema
do enovelamento de proteínas.

É um problema muito difícil

porque há muitas formas diferentes
que uma proteína pode adotar.

Devido a essa complexidade,

os seres humanos só conseguiram
aproveitar o poder das proteínas

fazendo pequenas alterações
nas sequências de aminoácidos

das proteínas que encontramos na natureza.

Isso é semelhante

ao processo que nossos ancestrais
da Idade da Pedra usavam

para fabricar ferramentas e outros
implementos a partir das varas e pedras

que encontramos no mundo ao nosso redor.

Mas os humanos não aprenderam
a voar modificando aves.

(Risos)

Em vez disso,

os cientistas, inspirados nelas,
descobriram os princípios da aerodinâmica.

Os engenheiros usaram esses princípios

para projetar máquinas
voadoras personalizadas.

De maneira semelhante,

temos trabalhado por vários anos

para descobrir os princípios fundamentais
do enovelamento de proteínas

e codificar esses princípios no programa
de computador chamado Rosetta.

Fizemos um grande avanço nos últimos anos.

Podemos agora criar proteínas
totalmente novas,

a partir do zero, no computador.

Uma vez que criamos a proteína nova,

codificamos sua sequência de aminoácidos
em um gene sintético.

Temos que fazer um gene sintético

porque, já que a proteína
é completamente nova,

não há nenhum gene em qualquer
organismo atualmente existente na Terra

que a codifique.

Nossos avanços no entendimento
do enovelamento de proteínas

e de como criar proteínas,

juntamente com o custo decrescente
da síntese genética

e o aumento da lei de Moore
no poder computacional,

agora nos permitem criar dezenas
de milhares de proteínas novas,

com formas e funções novas,

no computador,

e codificar cada uma delas
em um gene sintético.

Tendo esses genes sintéticos,

nós os colocamos em bactérias

para programá-los para criar
essas proteínas novas.

Em seguida, extraímos as proteínas

e determinamos se elas
funcionam como planejamos

e se são seguras.

É animador conseguir
criar proteínas novas,

porque, apesar da diversidade na natureza,

a evolução só testou uma pequena fração
do número total de proteínas possíveis.

Eu disse a vocês que a natureza usa
um alfabeto de 20 aminoácidos,

e uma proteína típica é uma cadeia
de cerca de 100 aminoácidos.

Assim, o número total de possibilidades
é 20 vezes 20 vezes 20, 100 vezes,

o que é um número
na ordem de 10 elevado a 130,

que é consideravelmente maior
do que o número total de proteínas

que existiram desde que começou
a vida na Terra.

É esse espaço inimaginavelmente grande

que agora conseguimos explorar
usando o design computacional de proteína.

As proteínas existentes na Terra

evoluíram para solucionar os problemas
enfrentados pela evolução natural.

Por exemplo, a replicação do genoma.

Porém, enfrentamos desafios novos hoje.

Vivemos mais; portanto, novas
doenças são importantes.

Estamos aquecendo e poluindo o planeta.

Por isso, enfrentamos
inúmeros desafios ecológicos.

Se tivéssemos que esperar
um milhão de anos,

proteínas novas poderiam evoluir
para solucionar esses desafios.

No entanto, não temos
milhões de anos para esperar.

Em vez disso, com o design
computacional de proteína,

podemos criar proteínas novas
para enfrentar esses desafios hoje.

Nossa ideia audaciosa é trazer
a biologia da Idade da Pedra

por meio da revolução tecnológica
no design de proteínas.

Já mostramos que podemos
criar proteínas novas

com formas e funções novas.

Por exemplo, as vacinas funcionam
estimulando o sistema imunológico

a criar uma reação forte
contra um patógeno.

Para fazer vacinas melhores,

criamos partículas de proteína

nas quais podemos fundir
proteínas a partir de patógenos,

como essa proteína azul,
do vírus sincicial respiratório VSR.

Para fazer vacinas candidatas

que estão literalmente
cheias de proteína viral,

descobrimos que tais candidatas

produzem uma reação imunológica
muito mais forte ao vírus

do que quaisquer vacinas anteriores
que tenham sido testadas.

Isso é importante porque o VSR
é atualmente uma das principais causas

de mortalidade infantil em todo o mundo.

Também criamos novas proteínas
para quebrar o glúten no estômago

devido a doença celíaca

e outras proteínas para estimular
o sistema imunológico a combater o câncer.

Esses avanços são o começo
da revolução do design de proteínas.

Nós nos inspiramos
em uma revolução tecnológica anterior:

a revolução digital,

que ocorreu, em grande parte,
devido aos avanços em um lugar:

Bell Laboratories.

A Bell Labs era um lugar
com um ambiente aberto e colaborativo

e conseguiu atrair os melhores
talentos de todo o mundo.

Isso levou a uma série
extraordinária de inovações:

o transistor, o laser,
a comunicação via satélite

e os fundamentos da internet.

Nosso objetivo é construir
a Bell Labs do design de proteínas.

Estamos procurando atrair
cientistas talentosos de todo o mundo

para acelerar a revolução
do design de proteínas,

e nos concentraremos
em cinco grandes desafios.

Primeiro: colhendo proteínas
de tipos de gripe de todo o mundo

e colocando-as em cima
das partículas de proteína criadas

que mostrei anteriormente,

visamos a criar uma vacina
universal contra a gripe,

cuja dose dá uma proteção
vitalícia contra a gripe.

A capacidade de criar...

(Aplausos)

A capacidade de criar
vacinas novas no computador

é importante tanto para proteger
contra as epidemias naturais de gripe

quanto, além disso, contra atos
intencionais de bioterrorismo.

Segundo: estamos indo muito além

do alfabeto limitado da natureza
de apenas 20 aminoácidos

para criar novos candidatos terapêuticos
para enfermidades como dor crônica,

usando um alfabeto
de milhares de aminoácidos.

Terceiro: estamos construindo
veículos de entrega avançados

para direcionar os medicamentos existentes
exatamente para onde precisam ir no corpo.

Por exemplo, quimioterapia para um tumor

ou terapias genéticas para o tecido
no qual precisa ocorrer o reparo genético.

Quarto: estamos criando
terapêutica inteligente

que pode fazer cálculos dentro do corpo
e vai muito além dos medicamentos atuais,

que são instrumentos muito diretos.

Por exemplo, para alcançar um pequeno
subconjunto de células imunológicas

responsáveis por uma doença autoimune

e distingui-las da grande maioria
das células imunológicas saudáveis.

Finalmente, inspirados por materiais
biológicos extraordinários

como seda, concha de abalone,
dente e outros,

estamos criando novos materiais
à base de proteínas

para enfrentar desafios
em questões energéticas e ecológicas.

Para fazer tudo isso, estamos
desenvolvendo nosso instituto.

Procuramos atrair cientistas ativos,
talentosos e diversificados

de todo o mundo,
em todas as fases da carreira,

para se juntarem a nós.

Vocês também podem participar
da revolução do design de proteínas

por meio de nosso jogo de enovelamento
e design on-line, "Foldit",

e por meio de nosso projeto
de computação distribuída, Rosetta@home,

no qual vocês podem entrar
pelo laptop ou smartphone Android.

Tornar o mundo um lugar melhor
por meio do design de proteínas

é o trabalho de minha vida.

Estou muito animado
com o que podemos fazer juntos.

Espero que vocês se juntem a nós,

e muito obrigado.

(Aplausos) (Vivas)