The next software revolution: programming biological cells | Sara-Jane Dunn

Traductor: Ciro Gomez Revisor: Emma Gon

The second half of the last century was completely defined

La segunda mitad del siglo pasado estuvo completamente definida

by a technological revolution:

por una revolución tecnológica:

the software revolution.

la revolución del software.

The ability to program electrons on a material called silicon

La capacidad de programar electrones en un material llamado silicio

made possible technologies, companies and industries

hizo posibles tecnologías, empresas e industrias

that were at one point unimaginable to many of us,

que en un punto fueron inimaginables para muchos de nosotros,

but which have now fundamentally changed the way the world works.

pero que ya han cambiado fundamentalmente la forma en que funciona el mundo.

The first half of this century, though,

Sin embargo, la primera mitad de este siglo,

is going to be transformed by a new software revolution:

va a ser transformada por una nueva revolución de software:

the living software revolution.

la revolución del software viviente.

And this will be powered by the ability to program biochemistry

Y esto será impulsado por la capacidad de programación bioquímica

on a material called biology.

en un material llamado biología.

And doing so will enable us to harness the properties of biology

Y hacerlo nos permitirá aprovechar las propiedades de la biología.

to generate new kinds of therapies,

para generar nuevos tipos de terapias,

to repair damaged tissue,

para reparar tejido dañado,

to reprogram faulty cells

reprogramar células defectuosas

or even build programmable operating systems out of biochemistry.

o incluso construir sistemas operativos programables a partir de bioquímica.

If we can realize this -- and we do need to realize it --

Si podemos hacer esto, y necesitamos hacerlo,

its impact will be so enormous

su impacto será tan grande

that it will make the first software revolution pale in comparison.

que hará palidecer, en comparación, la primera revolución de software.

And that's because living software would transform the entirety of medicine,

Y eso es porque el software viviente transformaría la totalidad de la medicina,

agriculture and energy,

la agricultura y la energía,

and these are sectors that dwarf those dominated by IT.

y estos son sectores que eclipsan a los dominados por la TI.

Imagine programmable plants that fix nitrogen more effectively

Imaginen plantas programables que fijan el nitrógeno de manera más efectiva

or resist emerging fungal pathogens,

o resisten los hongos patógenos emergentes,

or even programming crops to be perennial rather than annual

o incluso programar cultivos para que sean perennes en lugar de anuales

so you could double your crop yields each year.

para que puedan duplicar los rendimientos cada año.

That would transform agriculture

Eso transformaría la agricultura

and how we'll keep our growing and global population fed.

y es como mantendremos alimentada a nuestra creciente población mundial.

Or imagine programmable immunity,

O imaginen inmunidad programable,

designing and harnessing molecular devices that guide your immune system

diseño y aprovechamiento de dispositivos moleculares que guían

su sistema inmunológico para detectar, erradicar o incluso prevenir enfermedades.

to detect, eradicate or even prevent disease.

This would transform medicine

Esto transformaría la medicina

and how we'll keep our growing and aging population healthy.

y la forma de mantener la salud de una población que crece y envejece.

We already have many of the tools that will make living software a reality.

Ya tenemos muchas de las herramientas que harán realidad el software viviente.

We can precisely edit genes with CRISPR.

Podemos editar genes con precisión con CRISPR.

We can rewrite the genetic code one base at a time.

Podemos reescribir el código genético una base a la vez.

We can even build functioning synthetic circuits out of DNA.

Incluso podemos construir circuitos sintéticos que funcionen con ADN.

But figuring out how and when to wield these tools

Pero descubrir cómo y cuándo manejar estas herramientas

is still a process of trial and error.

todavía es un proceso de ensayo y error.

It needs deep expertise, years of specialization.

Se necesita una gran experiencia, años de especialización.

And experimental protocols are difficult to discover

Y los protocolos experimentales son difíciles de descubrir.

and all too often, difficult to reproduce.

y con demasiada frecuencia, difíciles de reproducir.

And, you know, we have a tendency in biology to focus a lot on the parts,

Y, ya saben, hay una tendencia en biología a enfocarnos mucho en las partes,

but we all know that something like flying wouldn't be understood

pero todos sabemos que algo como volar no se entendería

by only studying feathers.

solo estudiando plumas.

So programming biology is not yet as simple as programming your computer.

Por lo tanto, programar biología aún no es tan simple como programar su computadora.

And then to make matters worse,

Y para empeorar las cosas,

living systems largely bear no resemblance to the engineered systems

los sistemas vivos no se parecen en gran medida a los sistemas diseñados

that you and I program every day.

que Uds. y yo programamos todos los días.

In contrast to engineered systems, living systems self-generate,

A diferencia de los sistemas de ingeniería,

los sistemas vivos se autogeneran,

they self-organize,

se autoorganizan,

they operate at molecular scales.

operan a escalas moleculares.

And these molecular-level interactions

Y estas interacciones a nivel molecular

lead generally to robust macro-scale output.

conducen generalmente a una salida robusta a escala macro.

They can even self-repair.

Incluso pueden repararse a sí mismos.

Consider, for example, the humble household plant,

Consideren, por ejemplo, la humilde planta doméstica,

like that one sat on your mantelpiece at home

como la de sus repisas de la chimenea en casa

that you keep forgetting to water.

que siguen olvidando regar.

Every day, despite your neglect, that plant has to wake up

Todos los días, a pesar de su negligencia, esa planta tiene que despertarse

and figure out how to allocate its resources.

y descubrir cómo asignar sus recursos.

Will it grow, photosynthesize, produce seeds, or flower?

¿Crecerá, fotosintetizará, producirá semillas o florecerá?

And that's a decision that has to be made at the level of the whole organism.

Y esa es una decisión que debe tomarse a nivel de todo el organismo.

But a plant doesn't have a brain to figure all of that out.

Pero una planta no tiene cerebro para resolver todo eso.

It has to make do with the cells on its leaves.

Tiene que conformarse con las células de sus hojas.

They have to respond to the environment

Tienen que responder al medio ambiente

and make the decisions that affect the whole plant.

y tomar las decisiones que afectan a toda la planta.

So somehow there must be a program running inside these cells,

De alguna manera debe haber un programa ejecutándose dentro de estas celdas,

a program that responds to input signals and cues

un programa que responde a señales y claves de entrada

and shapes what that cell will do.

y da forma a lo que hará esa célula.

And then those programs must operate in a distributed way

Y luego esos programas deben operar de manera distribuida

across individual cells,

a través de células individuales,

so that they can coordinate and that plant can grow and flourish.

para que puedan coordinarse y que la planta pueda crecer y florecer.

If we could understand these biological programs,

Si pudiéramos entender estos programas biológicos,

if we could understand biological computation,

si pudiéramos entender la computación biológica,

it would transform our ability to understand how and why

transformaría nuestra capacidad de entender cómo y por qué

cells do what they do.

las células hacen lo que hacen.

Because, if we understood these programs,

Porque, si entendemos estos programas,

podríamos depurarlos cuando las cosas salgan mal.

we could debug them when things go wrong.

Or we could learn from them how to design the kind of synthetic circuits

O podríamos aprender de ellos cómo diseñar el tipo de circuitos sintéticos

that truly exploit the computational power of biochemistry.

que realmente explotan el poder computacional de la bioquímica.

My passion about this idea led me to a career in research

Mi pasión por esta idea me llevó a una carrera en investigación

at the interface of maths, computer science and biology.

en la interfaz de matemáticas, informática y biología.

And in my work, I focus on the concept of biology as computation.

En mi trabajo, me enfoco en el concepto de biología como computación.

And that means asking what do cells compute,

Y eso significa preguntar, ¿qué calculan las células,

and how can we uncover these biological programs?

y cómo podemos descubrir estos programas biológicos?

And I started to ask these questions together with some brilliant collaborators

Comencé a hacer estas preguntas junto con algunos colaboradores brillantes

at Microsoft Research and the University of Cambridge,

en Microsoft Research y la Universidad de Cambridge,

where together we wanted to understand

donde en conjunto queremos entender

the biological program running inside a unique type of cell:

el programa biológico que se ejecuta dentro de un tipo único de célula:

an embryonic stem cell.

una célula madre embrionaria.

These cells are unique because they're totally naïve.

Estas células son únicas porque son totalmente inocentes.

They can become anything they want:

Pueden convertirse en lo que quieran:

a brain cell, a heart cell, a bone cell, a lung cell,

una célula cerebral, cardíaca, ósea, pulmonar,

any adult cell type.

cualquier tipo de célula adulta.

This naïvety, it sets them apart,

Esta inocencia, las distingue,

but it also ignited the imagination of the scientific community,

y también encendió la imaginación de la comunidad científica,

who realized, if we could tap into that potential,

que se dio cuenta, de que si pudiéramos aprovechar ese potencial,

we would have a powerful tool for medicine.

tendríamos una herramienta poderosa para la medicina.

If we could figure out how these cells make the decision

Si pudiéramos descubrir cómo toman la decisión

to become one cell type or another,

de convertirse en un tipo de célula u otro,

we might be able to harness them

podríamos ser capaces de aprovecharlas

to generate cells that we need to repair diseased or damaged tissue.

para generar células que necesitamos para reparar tejidos enfermos o dañados.

But realizing that vision is not without its challenges,

Pero cumplir esta visión no está exento de desafíos,

not least because these particular cells,

sobre todo porque estas células particulares,

they emerge just six days after conception.

emergen solo seis días después de la concepción.

And then within a day or so, they're gone.

Y luego, en un día más o menos, se han ido.

They have set off down the different paths

Han emprendido los diferentes caminos

that form all the structures and organs of your adult body.

que forman todas las estructuras y órganos del cuerpo adulto.

But it turns out that cell fates are a lot more plastic

Pero resulta que el destino de las células es mucho más plástico

than we might have imagined.

de lo que imaginamos.

About 13 years ago, some scientists showed something truly revolutionary.

Hace unos 13 años,

algunos científicos mostraron algo verdaderamente revolucionario.

By inserting just a handful of genes into an adult cell,

Al insertar solo un puñado de genes en una célula adulta,

like one of your skin cells,

como una de sus células de la piel,

you can transform that cell back to the naïve state.

se puede transformar esa célula al estado inocente.

And it's a process that's actually known as "reprogramming,"

Es un proceso que en realidad se conoce como "reprogramación"

and it allows us to imagine a kind of stem cell utopia,

y nos permite imaginar una especie de utopía de células madre,

the ability to take a sample of a patient's own cells,

la capacidad de tomar una muestra de las propias células de un paciente,

transform them back to the naïve state

transformarlas de nuevo al estado inocente

and use those cells to make whatever that patient might need,

y usar esas células para hacer lo que ese paciente pueda necesitar,

whether it's brain cells or heart cells.

ya sean células cerebrales o cardíacas.

But over the last decade or so,

Pero durante la última década más o menos,

figuring out how to change cell fate,

averiguar cómo cambiar el destino celular,

it's still a process of trial and error.

todavía es un proceso de ensayo y error.

Even in cases where we've uncovered successful experimental protocols,

Incluso en los casos en que descubrimos protocolos experimentales exitosos,

they're still inefficient,

siguen siendo ineficientes

and we lack a fundamental understanding of how and why they work.

y carecemos de una comprensión fundamental de cómo y por qué funcionan.

If you figured out how to change a stem cell into a heart cell,

Si uno se las arregla para convertir una célula madre en una célula cardíaca,

that hasn't got any way of telling you how to change a stem cell

eso no nos dice cómo cambiar una célula madre

into a brain cell.

en una célula cerebral.

So we wanted to understand the biological program

Entonces queríamos entender el programa biológico

running inside an embryonic stem cell,

que corre dentro de una célula madre embrionaria,

and understanding the computation performed by a living system

y comprender el cálculo realizado por un sistema vivo

starts with asking a devastatingly simple question:

comenzando con una pregunta devastadoramente simple:

What is it that system actually has to do?

¿qué es lo que ese sistema realmente tiene que hacer?

Now, computer science actually has a set of strategies

La informática en realidad tiene un conjunto de estrategias

for dealing with what it is the software and hardware are meant to do.

para lidiar con lo que el software y el hardware están destinados a hacer.

When you write a program, you code a piece of software,

Cuando escriben un programa, codifican una pieza de software,

you want that software to run correctly.

desean que se ejecute correctamente.

You want performance, functionality.

Desean rendimiento, funcionalidad.

You want to prevent bugs.

Desean evitar errores.

They can cost you a lot.

Les puede costar mucho.

Cuando un desarrollador escribe un programa,

So when a developer writes a program,

they could write down a set of specifications.

podría escribir un conjunto de especificaciones.

These are what your program should do.

Esto es lo que debe hacer su programa.

Maybe it should compare the size of two numbers

Tal vez debería comparar el tamaño de dos números

or order numbers by increasing size.

u ordenar números por tamaño.

Technology exists that allows us automatically to check

Existe la tecnología que nos permite verificar automáticamente

whether our specifications are satisfied,

si están satisfechas nuestras especificaciones,

whether that program does what it should do.

si ese programa hace lo que debería hacer.

And so our idea was that in the same way,

Nuestra idea era que de la misma manera,

experimental observations, things we measure in the lab,

observaciones experimentales, cosas que medimos en el laboratorio,

they correspond to specifications of what the biological program should do.

corresponden a especificaciones de lo que debe hacer el programa biológico.

So we just needed to figure out a way

Así que solo necesitábamos encontrar una manera

to encode this new type of specification.

para codificar este nuevo tipo de especificación.

So let's say you've been busy in the lab and you've been measuring your genes

Digamos que han estado ocupado en el laboratorio midiendo sus genes

and you've found that if Gene A is active,

y descubrieron que si el Gene A está activo,

then Gene B or Gene C seems to be active.

entonces Gene B o Gene C parece estar activo.

We can write that observation down as a mathematical expression

Podemos escribir esa observación como una expresión matemática

if we can use the language of logic:

si podemos usar el lenguaje de la lógica:

If A, then B or C.

Si A, entonces B o C.

Now, this is a very simple example, OK.

Ahora, este es un ejemplo muy simple,

It's just to illustrate the point.

Es solo para ilustrar el punto.

We can encode truly rich expressions

Podemos codificar expresiones verdaderamente ricas

that actually capture the behavior of multiple genes or proteins over time

que capturan el proceder de múltiples genes o proteínas a lo largo del tiempo

across multiple different experiments.

a través de múltiples experimentos diferentes.

And so by translating our observations

Y así, al traducir nuestras observaciones

into mathematical expression in this way,

en expresiones matemáticas de esta manera,

it becomes possible to test whether or not those observations can emerge

es posible probar si esas observaciones pueden surgir o no

from a program of genetic interactions.

de un programa de interacciones genéticas.

Y desarrollamos una herramienta para hacer justamente esto.

And we developed a tool to do just this.

We were able to use this tool to encode observations

Pudimos usar esta herramienta para codificar observaciones

as mathematical expressions,

como expresiones matemáticas

and then that tool would allow us to uncover the genetic program

y luego esa herramienta nos permitiría descubrir el programa genético

that could explain them all.

que podría dar explicación de todos.

And we then apply this approach

Y luego aplicamos este enfoque para descubrir

to uncover the genetic program running inside embryonic stem cells

el programa genético que se ejecuta dentro de las células madre embrionarias

to see if we could understand how to induce that naïve state.

para ver si podíamos entender cómo inducir ese estado inocente.

And this tool was actually built

Esta herramienta se construyó realmente

on a solver that's deployed routinely around the world

en un solucionador que se implementa habitualmente en todo el mundo

for conventional software verification.

para verificación de software convencional.

So we started with a set of nearly 50 different specifications

Entonces comenzamos con un conjunto de casi 50 especificaciones diferentes

that we generated from experimental observations of embryonic stem cells.

que generamos a partir de observaciones experimentales

de células madre embrionarias.

And by encoding these observations in this tool,

Y al codificar estas observaciones en esta herramienta,

we were able to uncover the first molecular program

pudimos descubrir el primer programa molecular

that could explain all of them.

que podría explicarlos todos.

Now, that's kind of a feat in and of itself, right?

Eso es una hazaña en sí misma, ¿verdad?

Being able to reconcile all of these different observations

Ser capaz de conciliar todas estas observaciones diferentes

is not the kind of thing you can do on the back of an envelope,

no es el tipo de cosas que pueden hacer al dorso de un sobre,

even if you have a really big envelope.

incluso si tienen un sobre realmente grande.

Because we've got this kind of understanding,

Como tenemos este tipo de comprensión,

we could go one step further.

podríamos ir un paso más allá.

We could use this program to predict what this cell might do

Podríamos usar este programa para predecir qué podría hacer esta célula

in conditions we hadn't yet tested.

en condiciones que aún no habíamos probado.

We could probe the program in silico.

Podríamos sondear el programa en silico.

And so we did just that:

Y así lo hicimos:

we generated predictions that we tested in the lab,

generamos predicciones que probamos en el laboratorio,

and we found that this program was highly predictive.

y encontramos que este programa era altamente predictivo.

It told us how we could accelerate progress

Nos dijo cómo podríamos acelerar el progreso,

back to the naïve state quickly and efficiently.

volver al estado inocente de forma rápida y eficiente.

It told us which genes to target to do that,

Nos dijo a qué genes apuntar para hacer eso,

which genes might even hinder that process.

qué genes podrían incluso obstaculizar ese proceso.

We even found the program predicted the order in which genes would switch on.

Incluso el programa predijo el orden en que se activarían los genes.

So this approach really allowed us to uncover the dynamics

Entonces, este enfoque realmente nos permitió descubrir la dinámica

of what the cells are doing.

de lo que están haciendo las células.

What we've developed, it's not a method that's specific to stem cell biology.

El desarrollo no es un método específico para la biología de células madre.

Rather, it allows us to make sense of the computation

Más bien, nos permite dar sentido a la computación.

being carried out by the cell

siendo llevada a cabo por la célula

in the context of genetic interactions.

en el contexto de interacciones genéticas.

So really, it's just one building block.

En realidad, es solo un componente básico.

The field urgently needs to develop new approaches

El campo necesita urgentemente desarrollar nuevos enfoques

to understand biological computation more broadly

para entender la computación biológica más ampliamente

and at different levels,

y a diferentes niveles,

from DNA right through to the flow of information between cells.

desde el ADN hasta el flujo de información entre las células.

Only this kind of transformative understanding

Solo este tipo de comprensión transformadora

will enable us to harness biology in ways that are predictable and reliable.

nos permitirá aprovechar la biología de manera predecible y confiable.

Pero para programar la biología, también necesitaremos desarrollar

But to program biology, we will also need to develop

the kinds of tools and languages

los tipos de herramientas e idiomas

that allow both experimentalists and computational scientists

que permiten a los experimentadores y científicos computacionales

to design biological function

diseñar la función biológica

and have those designs compile down to the machine code of the cell,

y hacer que esos diseños se compilen en el código de máquina de la celda,

its biochemistry,

su bioquímica

so that we could then build those structures.

para que luego podamos construir esas estructuras.

Now, that's something akin to a living software compiler,

Eso es algo parecido a un compilador de software vivo,

y estoy orgullosa de ser parte de un equipo en Microsoft

and I'm proud to be part of a team at Microsoft

that's working to develop one.

que está trabajando para desarrollar uno.

Though to say it's a grand challenge is kind of an understatement,

Aunque decir que es un gran desafío es un eufemismo,

but if it's realized,

pero si se lleva a cabo,

it would be the final bridge between software and wetware.

sería el puente final entre el software y el wetware.

More broadly, though, programming biology is only going to be possible

Sin embargo, en términos más generales, la biología de programación solo será posible

if we can transform the field into being truly interdisciplinary.

si podemos transformar el campo en uno verdaderamente interdisciplinario.

It needs us to bridge the physical and the life sciences,

Se necesita unir las ciencias físicas y de la vida,

and scientists from each of these disciplines

y científicos de cada una de estas disciplinas

need to be able to work together with common languages

necesitan poder trabajar juntos con idiomas comunes

and to have shared scientific questions.

y compartir preguntas científicas.

In the long term, it's worth remembering that many of the giant software companies

A largo plazo, vale la pena recordar que muchas de las compañías gigantes

and the technology that you and I work with every day

de software y tecnología con las que Uds. y yo trabajamos todos los días

could hardly have been imagined

difícilmente podrían haber sido imaginadas

at the time we first started programming on silicon microchips.

cuando comenzamos a programar en microchips de silicio.

And if we start now to think about the potential for technology

Y si comenzamos ahora a pensar en el potencial de la tecnología

enabled by computational biology,

habilitado por la biología computacional,

we'll see some of the steps that we need to take along the way

veremos algunos de los pasos que debemos seguir en el camino

to make that a reality.

para hacer eso realidad.

Now, there is the sobering thought that this kind of technology

Existe el pensamiento aleccionador de que este tipo de tecnología

could be open to misuse.

podría estar abierto al mal uso.

If we're willing to talk about the potential

Si estamos dispuestos a hablar sobre el potencial

for programming immune cells,

para programar células inmunes,

we should also be thinking about the potential of bacteria

también deberíamos pensar en el potencial de las bacterias

engineered to evade them.

diseñadas para evadirlos.

There might be people willing to do that.

Puede haber gente dispuesta a hacer eso.

Now, one reassuring thought in this

Un pensamiento tranquilizador en esto

is that -- well, less so for the scientists --

es que, bueno, menos para los científicos

is that biology is a fragile thing to work with.

es que la biología es frágil al ser manipuleada.

So programming biology is not going to be something

Así que programar biología no será algo

you'll be doing in your garden shed.

que harán en el cobertizo de su jardín.

But because we're at the outset of this,

Pero como estamos al comienzo de esto,

we can move forward with our eyes wide open.

podemos avanzar con los ojos bien abiertos.

We can ask the difficult questions up front,

Podemos hacer las preguntas difíciles por adelantado,

we can put in place the necessary safeguards

podemos establecer las salvaguardas necesarias

and, as part of that, we'll have to think about our ethics.

y, como parte de eso, tendremos que pensar en nuestra ética.

We'll have to think about putting bounds on the implementation

Tendremos que pensar en poner límites a la implementación

of biological function.

de la función biológica.

So as part of this, research in bioethics will have to be a priority.

Como parte de esto, la investigación en bioética tendrá que ser una prioridad.

It can't be relegated to second place

No puede ser relegado al segundo lugar

in the excitement of scientific innovation.

en la emoción de la innovación científica.

But the ultimate prize, the ultimate destination on this journey,

Pero el premio final, el destino final en este viaje,

would be breakthrough applications and breakthrough industries

serían aplicaciones innovadoras e industrias innovadoras

in areas from agriculture and medicine to energy and materials

en áreas desde agricultura y medicina hasta energía y materiales

and even computing itself.

e incluso la informática en sí misma.

Imagine, one day we could be powering the planet sustainably

Imagínense, que algún día podríamos alimentar el planeta de manera sostenible

on the ultimate green energy

en la máxima energía verde

if we could mimic something that plants figured out millennia ago:

si pudiéramos imitar algo que las plantas descubrieron hace milenios:

how to harness the sun's energy with an efficiency that is unparalleled

cómo aprovechar la energía del sol con una eficiencia que no tiene paralelo

by our current solar cells.

por nuestras células solares actuales.

If we understood that program of quantum interactions

Si entendiéramos ese programa de interacciones cuánticas

that allow plants to absorb sunlight so efficiently,

que permiten que las plantas absorban la luz solar de manera tan eficiente,

we might be able to translate that into building synthetic DNA circuits

podríamos traducir eso en construir circuitos sintéticos de ADN

that offer the material for better solar cells.

que ofrecen el material para mejores células solares.

There are teams and scientists working on the fundamentals of this right now,

Hay equipos y científicos trabajando en los fundamentos de esto en este momento,

so perhaps if it got the right attention and the right investment,

entonces, si recibiera la atención adecuada y la inversión correcta,

it could be realized in 10 or 15 years.

se podría realizar en 10 o 15 años.

So we are at the beginning of a technological revolution.

Estamos al comienzo de una revolución tecnológica.

Understanding this ancient type of biological computation

Comprender este antiguo tipo de computación biológica

is the critical first step.

es el primer paso crítico.

And if we can realize this,

Y si podemos darnos cuenta de esto,

we would enter in the era of an operating system

entraríamos en la era de un sistema operativo

that runs living software.

que ejecuta software vivo

Thank you very much.

Muchas gracias.

(Applause)

(Aplausos)