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

Traducteur: eric vautier Relecteur: Claire Ghyselen

The second half of the last century was completely defined

La seconde moitié du 20e siècle a été complètement définie

by a technological revolution:

par une révolution technologique :

the software revolution.

la révolution du logiciel.

The ability to program electrons on a material called silicon

La capacité à programmer des électrons sur une matière, le silicium,

made possible technologies, companies and industries

a rendu possible des technologies, des sociétés et des industries

that were at one point unimaginable to many of us,

qui nous étaient jusqu’alors inimaginables,

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

mais qui ont fondamentalement changé la manière dont fonctionne le monde.

The first half of this century, though,

Cependant, la première moitié du 21e

is going to be transformed by a new software revolution:

va être transformée par une nouvelle révolution du logiciel :

the living software revolution.

la révolution du logiciel vivant.

And this will be powered by the ability to program biochemistry

Et elle sera mise en action par la capacité à programmer la biochimie

on a material called biology.

sur une matière appelée biologie.

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

Et ainsi, nous pourrons utiliser les propriétés de la biologie

to generate new kinds of therapies,

pour créer de nouveaux types de thérapies,

to repair damaged tissue,

pour réparer des tissus endommagés,

to reprogram faulty cells

pour reprogrammer des cellules défectueuses,

or even build programmable operating systems out of biochemistry.

et même pour construire des systèmes d'exploitation par la biochimie.

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

Si nous y arrivons - et nous devons y arriver -

its impact will be so enormous

les impacts seront si importants

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

que cela rendra la première révolution logicielle insignifiante en comparaison.

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

Et cela parce le logiciel vivant transformera la totalité de la médecine,

agriculture and energy,

de l'agriculture et de l'énergie,

and these are sectors that dwarf those dominated by IT.

des secteurs qui écrasent ceux dominés par l'informatique.

Imagine programmable plants that fix nitrogen more effectively

Imaginez des plantes programmables qui fixent l'azote plus efficacement

or resist emerging fungal pathogens,

ou qui résistent aux nouveaux pathogènes fongiques.

or even programming crops to be perennial rather than annual

Imaginez des récoltes programmées pour être vivaces plutôt qu'annuelles,

so you could double your crop yields each year.

afin de pouvoir faire deux moissons par an.

That would transform agriculture

Cela tranformerait l'agriculture

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

et permettrait de nourrir une population mondiale en croissance.

Or imagine programmable immunity,

Imaginez une immunité programmable,

designing and harnessing molecular devices that guide your immune system

utilisant des dispositifs moléculaires guidant votre système immunitaire

to detect, eradicate or even prevent disease.

pour détecter, éradiquer voire prévenir des maladies.

This would transform medicine

Cela transformerait la médecine

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

et la manière de maintenir une population vieillissante en bonne santé.

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

Nous avons déjà beaucoup des outils qui rendent possible le logiciel vivant.

We can precisely edit genes with CRISPR.

On peut éditer précisément les gènes avec CRISPR.

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

On peut réécrire le code génétique base par base.

We can even build functioning synthetic circuits out of DNA.

On peut même construire des circuits synthétiques à partir d'ADN.

But figuring out how and when to wield these tools

Mais comprendre comment et quand se servir de tout ça

is still a process of trial and error.

est encore un processus d'essais et d'erreurs.

It needs deep expertise, years of specialization.

Cela demande une grande expertise, des années de spécialisation.

And experimental protocols are difficult to discover

Les protocoles expérimentaux sont compliqués à découvrir

and all too often, difficult to reproduce.

et trop souvent, difficiles à reproduire.

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

Vous savez, on a tendance en biologie à beaucoup se focaliser sur les détails,

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

mais on sait tous que l'acte de voler n'aurait pas pu être compris

by only studying feathers.

si on n'avait étudié que les plumes.

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

Et donc, programmer la biologie n'est pas aussi simple que programmer un odinateur.

And then to make matters worse,

Et pour compliquer les choses,

living systems largely bear no resemblance to the engineered systems

les systèmes vivants ne ressemblent pas du tout aux systèmes inventés

that you and I program every day.

que vous et moi programmons tous les jours.

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

A l'inverse des systèmes conçus par nous, les systèmes vivants s'auto-reproduisent,

they self-organize,

s'auto-organisent,

they operate at molecular scales.

fonctionnent au niveau moléculaire.

And these molecular-level interactions

Et les interactions à ce niveau

lead generally to robust macro-scale output.

produisent généralement des résultats solides à l'échelle macro.

They can even self-repair.

Ils peuvent même s'auto-réparer.

Consider, for example, the humble household plant,

Observez, par exemple, la simple plante d'intérieur,

like that one sat on your mantelpiece at home

comme celle sur votre cheminée,

that you keep forgetting to water.

que vous oubliez toujours d'arroser.

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

Tous les jours, malgré votre négligence, la plante se réveille

and figure out how to allocate its resources.

et doit déterminer comment allouer ses ressources :

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

grandir, faire de la photosynthèse, produire des graines ou des fleurs ?

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

C'est une décision qui doit être prise au niveau de l'organisme entier.

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

Mais une plante n'a pas de cerveau pour se décider.

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

Elle doit se débrouiller avec les cellules de ses feuilles.

They have to respond to the environment

Elles doivent réagir à l'environnement

and make the decisions that affect the whole plant.

et prendre des décisions qui affectent la plante entière.

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

Et donc, d'une certaine manière, il y a un programme à l'intérieur de ces cellules,

a program that responds to input signals and cues

qui réagira aux signaux extérieurs

and shapes what that cell will do.

et déterminera ce que cette cellule fera.

And then those programs must operate in a distributed way

Ces programmes doivent ensuite travailler de manière distribuée,

across individual cells,

cellule par cellule,

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

afin de coordonner leur action pour que la plante grandisse et fleurisse.

If we could understand these biological programs,

Si nous arrivions à comprendre ces programmes biologiques,

if we could understand biological computation,

si nous arrivions à comprendre les calculs biologiques,

it would transform our ability to understand how and why

cela transformerait notre comprehension du comportement

cells do what they do.

des cellules.

Because, if we understood these programs,

Et si nous comprenions ces programmes,

we could debug them when things go wrong.

nous pourrions les déboguer en cas de problème.

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

Ou nous pourrions apprendre d'eux comment concevoir les circuits synthétiques

that truly exploit the computational power of biochemistry.

qui exploitent vraiment la puissance de calcul de la biochimie.

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

Ma passion pour cette idée m'a menée dans une carrière de chercheur

at the interface of maths, computer science and biology.

au croisement des maths, de l'informatique et de la biologie.

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

Dans mon travail, je me concentre sur le concept de calcul biologique.

And that means asking what do cells compute,

Et cela signifie chercher ce que les cellules calculent,

and how can we uncover these biological programs?

et tenter de découvrir ces programmes biologiques.

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

J'ai commencé à poser ces questions avec des collaborateurs géniaux

at Microsoft Research and the University of Cambridge,

de la R&D de Microsoft et de l'Université de Cambridge,

where together we wanted to understand

où nous essayons ensemble de comprendre

the biological program running inside a unique type of cell:

le programme biologique qui tourne dans un unique type de cellule :

an embryonic stem cell.

une cellule souche embryonnaire.

These cells are unique because they're totally naïve.

Ces cellules sont uniques car elles sont totalement naïves.

They can become anything they want:

Elles peuvent devenir ce qu'elles veulent :

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

une cellule du cerveau, du cœur, d'un os, d'un poumon,

any adult cell type.

n'importe quel type de cellule.

This naïvety, it sets them apart,

Cette naïveté qui les rend uniques

but it also ignited the imagination of the scientific community,

a enflammé l'imagination de la communauté scientifique,

who realized, if we could tap into that potential,

qui a compris, si elle arrivait à exploiter ce potentiel,

we would have a powerful tool for medicine.

qu'elle pourrait en faire un outil puissant pour la médecine.

If we could figure out how these cells make the decision

Si on pouvait comprendre comment elles décident

to become one cell type or another,

de devenir un type ou l'autre,

we might be able to harness them

on pourrait peut-être s'en servir

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

pour créer les cellules nécessaires pour réparer des tissus malades ou endommagés.

But realizing that vision is not without its challenges,

Mais atteindre ce but comporte pas mal de défis,

not least because these particular cells,

dont le principal est que ces cellules

they emerge just six days after conception.

apparaissent juste six jours après la conception.

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

Et disparaissent en un jour ou deux.

They have set off down the different paths

Elles auront pris le chemin

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

qui mène à toutes les structures et les organes du corps adulte.

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

Mais il s'avère que le destin des cellules est un peu moins figé

than we might have imagined.

que nous ne le croyions.

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

Il y a 13 ans, des scientifiques ont montré quelque chose de révolutionnaire.

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

En injectant quelques gènes dans une cellule adulte,

like one of your skin cells,

par exemple, une cellule de peau,

you can transform that cell back to the naïve state.

on peut la faire revenir à son état naïf.

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

Ce processus est connu sous le nom de « reprogrammation ».

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

Il nous permet d'imaginer une sorte d'utopie :

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

collecter des cellules sur un patient,

transform them back to the naïve state

les faire retourner à leur état naïf,

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

puis les transformer en ce dont le patient peut avoir besoin,

whether it's brain cells or heart cells.

des neurones ou des cellules cardiaques.

But over the last decade or so,

Mais depuis dix ans,

figuring out how to change cell fate,

on est toujours en train de tester

it's still a process of trial and error.

comment choisir le destin de la cellule.

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

Même dans les cas où on a découvert des protocoles expérimentaux qui fonctionnent,

they're still inefficient,

ils restent inefficaces,

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

et on ne comprend toujours pas comment et pourquoi ils fonctionnent.

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

Savoir changer une cellule souche en une cellule cardiaque

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

ne vous dit en aucun cas comment changer une cellule souche

into a brain cell.

en un neurone.

So we wanted to understand the biological program

Nous voulions donc comprendre le programme biologique

running inside an embryonic stem cell,

qui tourne dans une cellule souche embryonnaire.

and understanding the computation performed by a living system

Et comprendre les calculs effectués par un système vivant

starts with asking a devastatingly simple question:

démarre en posant une question incroyablement simple :

What is it that system actually has to do?

au fait, qu'est-ce que ce système doit faire ?

Now, computer science actually has a set of strategies

L'informatique utilise en fait un ensemble de stratégies

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

pour traiter ce que le logiciel et le matériel sont censés faire.

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

Quand vous écrivez un programme, vous codez du logiciel,

you want that software to run correctly.

vous voulez qu'il fonctionne correctement,

You want performance, functionality.

qu'il soit performant, fonctionnel.

You want to prevent bugs.

Vous voulez éviter les erreurs, qui pourraient coûter cher.

They can cost you a lot.

So when a developer writes a program,

Quand un développeur écrit un programme,

they could write down a set of specifications.

il écrit d'abord un ensemble de spécifications,

These are what your program should do.

ce que le programme est censé faire.

Maybe it should compare the size of two numbers

Peut-être doit-il comparer deux nombres

or order numbers by increasing size.

ou les ranger par ordre croissant.

Technology exists that allows us automatically to check

Il existe des technologies qui vous permettent de vérifier automatiquement

whether our specifications are satisfied,

si vos spécifications sont satisfaites,

whether that program does what it should do.

si le programme fait ce qu'il est censé faire.

And so our idea was that in the same way,

Notre idée est donc du même ordre :

experimental observations, things we measure in the lab,

des observations expérimentales, des mesures dans un laboratoire,

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

correspondant aux spécifications de ce que le programme biologique est censé faire.

So we just needed to figure out a way

On avait donc juste besoin de trouver

to encode this new type of specification.

comment coder ce nouveau type de spécifications.

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

Imaginons que vous soyez là à observer les gènes,

vous trouvez que si le gène A est actif,

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

then Gene B or Gene C seems to be active.

alors les gènes B ou C semblent actifs.

We can write that observation down as a mathematical expression

Vous pouvez écrire cette observation sous forme d'expression mathématique

if we can use the language of logic:

en utilisant le langage de la logique :

If A, then B or C.

Si A, alors B ou C.

Now, this is a very simple example, OK.

Ok, c'est un exemple très simple,

It's just to illustrate the point.

juste pour illustrer mon propos.

We can encode truly rich expressions

On sait encoder des expressions complexes

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

qui décrivent réellement le comportement dans le temps de gènes ou de protéines

across multiple different experiments.

dans différentes expériences.

And so by translating our observations

Ainsi, en traduisant vos observations

into mathematical expression in this way,

en expressions mathématiques,

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

il devient possible de tester si oui ou non ces observations émergent

from a program of genetic interactions.

d'un programme d'interactions génétiques.

And we developed a tool to do just this.

Et nous avons développé un outil pour faire ça.

We were able to use this tool to encode observations

On a pu l'utiliser pour encoder nos observations

as mathematical expressions,

en expressions mathématiques,

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

et il nous a ensuite permis de découvrir le programme génétique

that could explain them all.

qui les expliquait toutes.

And we then apply this approach

Et on a ensuite appliqué cette approche

to uncover the genetic program running inside embryonic stem cells

pour découvrir le programme génétique qui tourne à l'intérieur des cellules souches

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

pour voir si nous pouvions comprendre comment induire cet état naïf.

And this tool was actually built

Cet outil a été en fait développé

on a solver that's deployed routinely around the world

à partir d'une solution communément utilisée dans le monde

for conventional software verification.

pour vérifier du logiciel classique.

So we started with a set of nearly 50 different specifications

On a commencé avec un ensemble de presque 50 spécifications

that we generated from experimental observations of embryonic stem cells.

générées à partir d'observations expérimentales sur des cellules souches.

And by encoding these observations in this tool,

Et en encodant ces observations dans cet outil,

we were able to uncover the first molecular program

on a pu découvrir le premier programme moléculaire

that could explain all of them.

qui les expliquait toutes.

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

Ça, ce n'est pas un mince exploit, non ?

Being able to reconcile all of these different observations

Arriver à réunir toutes ces observations

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

ne se fait pas sur un coin de table,

even if you have a really big envelope.

même si vous avez une grande table.

Because we've got this kind of understanding,

Et puisque nous avions compris cela, nous pouvions aller un cran plus loin.

we could go one step further.

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

On pouvait s'en servir pour prédire le comportement de la cellule

in conditions we hadn't yet tested.

dans des conditions qu'on n'avait pas testées.

We could probe the program in silico.

On pouvait mener une expérience virtuelle.

And so we did just that:

Et c'est ce qu'on a fait :

we generated predictions that we tested in the lab,

on a généré des prédictions qu'on a testées au laboratoire,

and we found that this program was highly predictive.

et on a vu que ce programme prédisait très bien.

It told us how we could accelerate progress

Il nous disait comment accélérer nos progrès

back to the naïve state quickly and efficiently.

pour retourner à l'état naïf rapidement et efficacement.

It told us which genes to target to do that,

Il nous a dit quels gènes cibler pour ce faire,

which genes might even hinder that process.

quels gènes pourraient même entraver ce processus.

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

Le programme est même capable de prévoir dans quel ordre les gènes vont s'activer.

So this approach really allowed us to uncover the dynamics

Cette approche nous a donc vraiment permis de découvrir la dynamique des cellules.

of what the cells are doing.

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

Nous avons développé une méthode qui n'est pas spécifique aux cellules souches.

Rather, it allows us to make sense of the computation

Mais elle nous permet de comprendre les calculs

being carried out by the cell

que la cellule effectue

in the context of genetic interactions.

dans ce contexte d'interactions génétiques.

So really, it's just one building block.

C'est donc juste un élément de base.

The field urgently needs to develop new approaches

Nous avons besoin de vite développer de nouvelles approches

to understand biological computation more broadly

pour comprendre plus largement les calculs biologiques,

and at different levels,

et ce, à différents niveaux,

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

depuis l'ADN jusqu'aux flux d'information entre cellules.

Only this kind of transformative understanding

Seulement ce type de compréhension transformative

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

nous permettra d'utiliser la biologique de manière prévisible et fiable.

But to program biology, we will also need to develop

Mais pour programmer la biologie, il nous faudra développer

the kinds of tools and languages

les outils et les langages

that allow both experimentalists and computational scientists

qui permettront aux expérimentateurs et aux scientifiques computationnels

to design biological function

de concevoir des fonctions biologiques,

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

de les transposer dans le langage machine de la cellule,

its biochemistry,

sa biochimie,

so that we could then build those structures.

afin de pouvoir ensuite créer ces structures.

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

Cela ressemble à un compilateur de logiciel vivant,

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

et je suis fière de faire partie d'une équipe

that's working to develop one.

qui en développe une.

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

Même si dire que c'est un grand défi est plutôt un euphémisme,

but if it's realized,

si on y arrive,

it would be the final bridge between software and wetware.

ce sera le lien ultime entre le logiciel et le biologiciel.

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

Plus largement, programmer le vivant ne sera possible

if we can transform the field into being truly interdisciplinary.

que si on arrive à rendre le domaine vraiment multidisciplinaire.

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

Ça demande de joindre les sciences physiques et celles du vivant,

and scientists from each of these disciplines

et les scientifiques dans ces deux disciplines

need to be able to work together with common languages

doivent être capables de travailler dans un langage commun

and to have shared scientific questions.

et d'avoir des questions partagées.

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

Sur le long terme, il faut se souvenir que les géants actuels du logiciel

and the technology that you and I work with every day

et les technologies que nous utilisons tous les jours

could hardly have been imagined

auraient à peine pu être imaginés

at the time we first started programming on silicon microchips.

quand nous avons commencé à programmer des composants en silicium.

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

Si nous imaginons maintenant le potentiel pour les technologies

enabled by computational biology,

apporté par la biologie computationnelle,

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

nous verrons quelques étapes du chemin qui nous mènera

to make that a reality.

vers la concrétisation.

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

Il faut également garder à l'esprit que ce type de technologie

could be open to misuse.

pourrait être mal utilisé.

If we're willing to talk about the potential

Si on parle aisément du potentiel de la programmation des cellules immunitaires,

for programming immune cells,

we should also be thinking about the potential of bacteria

nous devons aussi penser au potentiel des bactéries

engineered to evade them.

conçues pour les contrecarrer.

There might be people willing to do that.

Il pourrait exister des gens qui voudraient faire cela.

Now, one reassuring thought in this

Toutefois, une pensée rassurante -

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

moins rassurante pour les scientifiques -

is that biology is a fragile thing to work with.

est que la biologie est une chose fragile à manipuler.

So programming biology is not going to be something

Programmer le vivant ne sera pas quelque chose

you'll be doing in your garden shed.

qu'on fera dans sa cuisine.

But because we're at the outset of this,

Mais comme on n'en est qu'au tout début,

we can move forward with our eyes wide open.

nous pouvons avancer lucidement.

We can ask the difficult questions up front,

Nous pouvons déjà poser les questions difficiles,

we can put in place the necessary safeguards

mettre en place les garde-fous nécessaires,

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

et, en complément de tout ça, nous devons parler d'éthique.

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

Nous devons penser à mettre des limites dans l'implémentation

of biological function.

d'une fonction biologique.

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

Et donc, en même temps, la recherche en bioéthique devra être une priorité.

It can't be relegated to second place

Elle ne peut pas être reléguée en second

in the excitement of scientific innovation.

à cause de l'attrait de l'innovation scientifique.

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

Mais la récompense ultime, le but de notre voyage,

would be breakthrough applications and breakthrough industries

sera des applications et une industrie permettant des progrès

in areas from agriculture and medicine to energy and materials

en agriculture, en médecine, dans l'énergie et dans les matériaux,

and even computing itself.

et même en informatique.

Imagine, one day we could be powering the planet sustainably

Imaginez qu'un jour nous puissions alimenter en énergie la planète

on the ultimate green energy

par l'énergie verte ultime,

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

si nous arrivions à reproduire ce que les plantes ont compris il y longtemps :

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

comment exploiter l'énergie du soleil avec une efficacité sans commune mesure

by our current solar cells.

avec nos panneaux solaires actuels.

If we understood that program of quantum interactions

Si nous arrivons à comprendre ces interactions quantiques

that allow plants to absorb sunlight so efficiently,

qui permettent aux plantes d'absorber la lumière si efficacement,

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

nous pourrons traduire cela pour construire des circuits ADN synthétiques

that offer the material for better solar cells.

qui pourraient servir à créer de meilleurs capteurs solaires.

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

Il y a des équipes de scientifiques qui travaillent sur ces fondements,

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

et donc avec la bonne attention et les bons investissements,

it could be realized in 10 or 15 years.

on pourrait y arriver en 10 à 15 ans.

So we are at the beginning of a technological revolution.

Nous sommes au début d'une révolution technologique,

Understanding this ancient type of biological computation

Comprendre ce type ancien de calcul biologique

is the critical first step.

est la première étape.

And if we can realize this,

Si nous y arrivons,

we would enter in the era of an operating system

nous entrerons dans l'ère d'un système d'exploitation

that runs living software.

faisant tourner du logiciel vivant.

Thank you very much.

Merci beaucoup.

(Applause)

(Applaudissements)