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

Traduttore: Elena Pedretti Revisore: Nicoletta Pedrana

The second half of the last century was completely defined

La seconda metà del secolo scorso è stata completamente caratterizzata

by a technological revolution:

da una rivoluzione tecnologica:

the software revolution.

la rivoluzione del software.

The ability to program electrons on a material called silicon

La capacità di programmare gli elettroni su un materiale chiamato silicio

made possible technologies, companies and industries

ha reso possibile la creazione di tecnologie, società e industrie

that were at one point unimaginable to many of us,

fino ad allora inimmaginabili per molti di noi,

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

ma che hanno intrinsecamente cambiato il funzionamento del mondo.

The first half of this century, though,

Tuttavia, la prima metà di questo secolo

is going to be transformed by a new software revolution:

sarà trasformata da una nuova rivoluzione del software:

the living software revolution.

la rivoluzione del software vivente,

And this will be powered by the ability to program biochemistry

che sarà resa possibile dalla capacità di programmare la biochimica

on a material called biology.

su un materiale chiamato biologia.

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

Questa capacità ci permetterà di sfruttare le proprietà della biologia

to generate new kinds of therapies,

per creare nuovi tipi di terapie,

to repair damaged tissue,

riparare tessuti danneggiati,

to reprogram faulty cells

riprogrammare cellule difettose

or even build programmable operating systems out of biochemistry.

o persino realizzare sistemi operativi programmabili basati sulla biochimica.

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

Se riusciremo a fare tutto ciò - e davvero ne abbiamo bisogno -

its impact will be so enormous

l'impatto sarà tale,

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

da far impallidire al confronto la prima rivoluzione del software.

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

Un software vivente, infatti, trasformerebbe del tutto la medicina,

agriculture and energy,

l'agricoltura e l'energia,

and these are sectors that dwarf those dominated by IT.

settori che sovrastano quelli dominati dall'IT.

Imagine programmable plants that fix nitrogen more effectively

Pensate a piante programmabili che fissano l'azoto in modo più efficace,

or resist emerging fungal pathogens,

o resistono all'attacco di patogeni fungini,

or even programming crops to be perennial rather than annual

oppure a coltivazioni programmate per essere perenni invece che annuali

so you could double your crop yields each year.

in modo da raddoppiarne la resa ogni anno.

That would transform agriculture

Tutto ciò trasformerebbe l'agricoltura

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

e il nostro modo di nutrire la crescente popolazione globale.

Or imagine programmable immunity,

Pensate anche alla possibilità di programmare l'immunità,

designing and harnessing molecular devices that guide your immune system

grazie a dispositivi molecolari progettati per permettere al sistema immunitario

to detect, eradicate or even prevent disease.

di individuare, eliminare o anche prevenire le malattie.

This would transform medicine

Questo trasformerebbe la medicina

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

e il modo di curare una popolazione sempre più vasta e anziana.

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

Abbiamo già molti degli strumenti necessari a creare il software vivente.

We can precisely edit genes with CRISPR.

Possiamo modificare i geni con precisione grazie ai CRISPR.

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

Possiamo riscrivere il codice genetico base dopo base.

We can even build functioning synthetic circuits out of DNA.

Possiamo persino creare circuiti sintetici funzionanti, partendo dal DNA.

But figuring out how and when to wield these tools

Capire come e quando utilizzare questi strumenti, però,

is still a process of trial and error.

è ancora un processo fatto di tentativi ed errori.

It needs deep expertise, years of specialization.

Servono competenze elevate, anni di specializzazione.

And experimental protocols are difficult to discover

Inoltre, elaborare protocolli sperimentali è difficile,

and all too often, difficult to reproduce.

così come, molto spesso, replicarli.

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

Sapete, in biologia tendiamo a focalizzarci molto sulle parti,

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

ma sappiamo tutti che non si può comprendere il volo, ad esempio,

by only studying feathers.

studiando solo le penne.

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

Programmare la biologia non è quindi semplice come programmare un computer.

And then to make matters worse,

Inoltre, come se non bastasse,

living systems largely bear no resemblance to the engineered systems

i sistemi viventi assomigliano ben poco ai sistemi artificiali

that you and I program every day.

che programmiamo ogni giorno.

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

A differenza di quelli artificiali, i sistemi viventi si auto-generano,

they self-organize,

si auto-organizzano,

they operate at molecular scales.

operano su scala molecolare

And these molecular-level interactions

e queste interazioni a livello molecolare

lead generally to robust macro-scale output.

hanno di solito un grande impatto su macroscala.

They can even self-repair.

Riescono persino ad auto-ripararsi.

Consider, for example, the humble household plant,

Prendete, ad esempio, le comuni piante da appartamento,

like that one sat on your mantelpiece at home

tipo quella sul vostro caminetto a casa

that you keep forgetting to water.

che dimenticate sempre di annaffiare.

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

Ogni giorno, nonostante la trascuriate, quella pianta si deve svegliare

and figure out how to allocate its resources.

e decidere come impiegare le proprie risorse:

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

per la crescita, la fotosintesi, per la produzione di semi o fiori?

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

È una decisione che riguarda tutto l'organismo,

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

ma la pianta non ha un cervello per gestire il tutto.

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

Deve accontentarsi delle cellule sulle sue foglie,

They have to respond to the environment

che devono reagire all'ambiente circostante

and make the decisions that affect the whole plant.

e prendere decisioni che riguardano l'intera pianta.

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

Deve quindi esserci una sorta di programma attivo dentro quelle cellule

a program that responds to input signals and cues

che risponde ai segnali d'ingresso e agli stimoli

and shapes what that cell will do.

e che ne determina il comportamento.

And then those programs must operate in a distributed way

Quei programmi devono poi operare in maniera distribuita

across individual cells,

tra tutte le singole cellule,

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

affinché si possano coordinare per far crescere e prosperare la pianta.

If we could understand these biological programs,

Comprendere questi programmi biologici,

if we could understand biological computation,

comprendere la computazione biologica,

it would transform our ability to understand how and why

ci aiuterebbe a capire come e perché

cells do what they do.

le cellule fanno ciò che fanno.

Because, if we understood these programs,

Grazie alla comprensione di questi programmi

we could debug them when things go wrong.

potremmo fare il debugging quando le cose vanno male

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

o prenderli ad esempio per progettare circuiti artificiali

that truly exploit the computational power of biochemistry.

che sfruttano davvero il potere computazionale della biochimica.

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

L'entusiasmo per questa idea mi ha portato a fare ricerca

at the interface of maths, computer science and biology.

in un ambito che collega matematica, informatica e biologia.

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

Il mio lavoro si concentra sull'idea di biologia come computazione.

And that means asking what do cells compute,

Mi chiedo come operano le cellule

and how can we uncover these biological programs?

e come possiamo individuare questi programmi biologici.

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

Ho iniziato a farlo assieme ad un brillante team di collaboratori

at Microsoft Research and the University of Cambridge,

al laboratorio Microsoft Research dell'Università di Cambridge,

where together we wanted to understand

dove volevamo comprendere

the biological program running inside a unique type of cell:

il programma biologico che fa funzionare un tipo speciale di cellule:

an embryonic stem cell.

le cellule staminali embrionali.

These cells are unique because they're totally naïve.

Queste cellule sono uniche perché sono ancora indifferenziate.

They can become anything they want:

Possono diventare qualsiasi cosa vogliano:

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

cellule cerebrali, cardiache, ossee, polmonari,

any adult cell type.

ogni tipo di cellula adulta.

This naïvety, it sets them apart,

La loro indifferenziazione le rende uniche

but it also ignited the imagination of the scientific community,

e accende l'immaginazione della comunità scientifica,

who realized, if we could tap into that potential,

che ha capito come quel potenziale

we would have a powerful tool for medicine.

potrebbe fornire alla medicina uno strumento potente.

If we could figure out how these cells make the decision

Se riuscissimo a capire come quelle cellule decidano

to become one cell type or another,

di diventare un tipo di cellula e non un altro,

we might be able to harness them

potremmo utilizzarle

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

per ottenere cellule necessarie alla cura di tessuti ammalati o danneggiati.

But realizing that vision is not without its challenges,

Realizzare quest'idea non è semplice,

not least because these particular cells,

soprattutto perché queste particolari cellule

they emerge just six days after conception.

compaiono appena sei giorni dopo il concepimento

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

e spariscono dopo circa un giorno,

They have set off down the different paths

quando prendono strade diverse

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

per formare tutte le strutture e gli organi del corpo adulto.

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

Tuttavia, si è scoperto che il destino delle cellule è molto più duttile

than we might have imagined.

di quanto si pensasse.

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

Circa 13 anni fa, alcuni scienziati hanno mostrato qualcosa di rivoluzionario:

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

inserendo una manciata di geni in una cellula adulta,

like one of your skin cells,

ad esempio una cellula della pelle,

you can transform that cell back to the naïve state.

si può riportare quella cellula allo stato indifferenziato.

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

Questo processo, detto "riprogrammazione",

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

ci permette di immaginare un futuro in cui sia possibile

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

prendere delle cellule staminali di un paziente,

transform them back to the naïve state

riportarle allo stato indifferenziato

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

e utilizzarle per generare le cellule necessarie al paziente,

whether it's brain cells or heart cells.

siano esse cerebrali o cardiache.

But over the last decade or so,

Da circa 10 anni a questa parte, però,

figuring out how to change cell fate,

trovare il modo di cambiare il destino delle cellule

it's still a process of trial and error.

significa procedere per tentativi ed errori.

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

Anche i protocolli sperimentali che siamo riusciti a identificare

they're still inefficient,

risultano ancora inefficienti

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

e fondamentalmente non sappiamo ancora come e perché funzionino.

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

Sapere come trasformare una cellula staminale in una cardiaca

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

non significa sapere come trasformare una cellula staminale

into a brain cell.

in una cellula cerebrale.

So we wanted to understand the biological program

Volevamo quindi capire il programma biologico

running inside an embryonic stem cell,

attivo all'interno delle cellule staminali embrionali

and understanding the computation performed by a living system

e per comprendere la computazione di un sistema vivente

starts with asking a devastatingly simple question:

si inizia da una domanda incredibilmente semplice:

What is it that system actually has to do?

Qual è, di fatto, il compito di quel sistema?

Now, computer science actually has a set of strategies

La scienza informatica ha delle strategie

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

per gestire ciò che software e hardware devono fare.

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

Quando si scrive un programma, si codifica del software,

you want that software to run correctly.

si vuole che esso funzioni correttamente.

You want performance, functionality.

Si cercano prestazioni e funzionalità.

You want to prevent bugs.

Si vogliono evitare i bug,

They can cost you a lot.

perché possono costare caro.

So when a developer writes a program,

Così, il programmatore

they could write down a set of specifications.

potrebbe elaborare una serie di specifiche

These are what your program should do.

che dicono al programma cosa fare.

Maybe it should compare the size of two numbers

Per esempio confrontare le dimensioni di numeri

or order numbers by increasing size.

oppure ordinarli in ordine crescente.

Technology exists that allows us automatically to check

Abbiamo la tecnologia che ci permette di controllare automaticamente

whether our specifications are satisfied,

se le specifiche vengono rispettate

whether that program does what it should do.

e il programma fa ciò che deve.

And so our idea was that in the same way,

Noi pensavamo, quindi, che allo stesso modo

experimental observations, things we measure in the lab,

le osservazioni sperimentali, ciò che misuriamo in laboratorio,

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

corrispondesse alle specifiche che regolano il programma biologico.

So we just needed to figure out a way

Dovremmo dunque solo trovare il modo

to encode this new type of specification.

di codificare questo nuovo tipo di specifiche.

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

Supponiamo che analizzando i geni in laboratorio

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

abbiamo visto che se il Gene A è attivo,

then Gene B or Gene C seems to be active.

sembrano esserlo anche il Gene B o il Gene C.

We can write that observation down as a mathematical expression

Possiamo trascrivere quell'osservazione come espressione matematica

if we can use the language of logic:

usando il linguaggio della logica:

If A, then B or C.

Se A, allora B o C.

Now, this is a very simple example, OK.

È un esempio molto semplice, sì,

It's just to illustrate the point.

ma serve ad illustrare il concetto.

We can encode truly rich expressions

Possiamo codificare espressioni realmente complesse

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

che riflettano davvero il comportamento di molteplici geni o proteine nel tempo

across multiple different experiments.

osservato in diversi e molteplici esperimenti.

And so by translating our observations

Traducendo le nostre osservazioni

into mathematical expression in this way,

in espressioni matematiche in questo modo,

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

risulta possibile verificare se quelle osservazioni emergono

from a program of genetic interactions.

da un programma di interazioni genetiche.

And we developed a tool to do just this.

Per fare ciò, abbiamo sviluppato uno strumento

We were able to use this tool to encode observations

e siamo stati in grado di usarlo per codificare osservazioni

as mathematical expressions,

come espressioni matematiche

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

per poi riuscire eventualmente a scoprire il programma genetico

that could explain them all.

che sta alla loro base.

And we then apply this approach

In seguito, potremmo usare questo sistema

to uncover the genetic program running inside embryonic stem cells

per individuare il programma genetico delle cellule staminali embrionali

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

e cercare di capire come indurre il loro stato indifferenziato.

And this tool was actually built

Questo strumento è stato realizzato

on a solver that's deployed routinely around the world

su un solutore utilizzato comunemente in tutto il mondo

for conventional software verification.

per la normale verifica di software.

So we started with a set of nearly 50 different specifications

Abbiamo iniziato con un gruppo di quasi 50 specifiche diverse

that we generated from experimental observations of embryonic stem cells.

generate dall'osservazione sperimentale di cellule staminali embrionali.

And by encoding these observations in this tool,

Codificando quelle osservazioni in questo strumento,

we were able to uncover the first molecular program

siamo riusciti a scoprire il primo programma molecolare

that could explain all of them.

che potrebbe spiegarle tutte.

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

È già di per sé un gran risultato, vero?

Being able to reconcile all of these different observations

Riuscire a dare un senso a tutte le diverse osservazioni

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

non è una cosa che si può fare così, su due piedi,

even if you have a really big envelope.

neppure se si tratta di piedi grandi.

Because we've got this kind of understanding,

Grazie a questo tipo di conoscenza, potremmo andare oltre

we could go one step further.

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

e usare questo programma per predire il comportamento cellulare

in conditions we hadn't yet tested.

in condizioni mai testate prima.

We could probe the program in silico.

Potremmo testare il programma in silico.

And so we did just that:

In effetti, l'abbiamo fatto:

we generated predictions that we tested in the lab,

abbiamo generato previsioni per poi testarle in laboratorio

and we found that this program was highly predictive.

e abbiamo scoperto che questo programma è altamente predittivo.

It told us how we could accelerate progress

Ci ha mostrato come potevamo accelerare il ritorno

back to the naïve state quickly and efficiently.

allo stato ingenuo in modo veloce ed efficiente.

It told us which genes to target to do that,

Ci ha mostrato quali geni selezionare per farlo

which genes might even hinder that process.

e quali potrebbero invece ostacolare il processo.

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

Abbiamo visto che il programma indicava persino l'ordine di attivazione dei geni.

So this approach really allowed us to uncover the dynamics

Questo metodo ci permetteva quindi di far luce sulle dinamiche

of what the cells are doing.

del funzionamento cellulare.

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

Questo metodo non è specifico per la biologia delle cellule staminali,

Rather, it allows us to make sense of the computation

ma ci permette di comprendere la computazione attuata dalle cellule

being carried out by the cell

in the context of genetic interactions.

nel contesto delle interazioni genetiche.

So really, it's just one building block.

Si tratta quindi di un primo passo.

The field urgently needs to develop new approaches

In questo campo servono nuove strategie

to understand biological computation more broadly

per comprendere la computazione biologica

and at different levels,

più a fondo e su più livelli,

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

dal DNA fino al flusso di informazioni fra le cellule.

Only this kind of transformative understanding

Solo questa comprensione rivoluzionaria

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

ci permetterà di utilizzare la biologia in modi prevedibili ed affidabili.

Tuttavia, per poter programmare la biologia dovremo anche sviluppare

But to program biology, we will also need to develop

the kinds of tools and languages

strumenti e linguaggi tali

that allow both experimentalists and computational scientists

da permettere a scienziati sperimentali e computazionali

to design biological function

di progettare la funzione biologica

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

fino al livello del codice macchina della cellula,

its biochemistry,

la sua biochimica,

so that we could then build those structures.

in modo da permetterci di costruire quelle strutture.

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

Si tratta di una sorta di compilatore di software vivente

e sono orgogliosa di far parte di un team Microsoft

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

that's working to develop one.

che lavora per svilupparne uno.

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

Dire che si tratta di una grande sfida è una sorta di eufemismo,

but if it's realized,

ma riuscirci,

it would be the final bridge between software and wetware.

permetterebbe il collegamento finale tra software e wetware.

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

Più in generale, programmare la biologia sarà possibile solo

if we can transform the field into being truly interdisciplinary.

se renderemo il suo ambito realmente interdisciplinare.

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

Dobbiamo collegare le scienze fisiche e quelle umane.

and scientists from each of these disciplines

Gli scienziati di ciascuna di quelle discipline

need to be able to work together with common languages

devono poter collaborare grazie a linguaggi comuni

and to have shared scientific questions.

e condividere gli scopi della ricerca.

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

Alla lunga, conviene ricordare che molti giganti informatici

and the technology that you and I work with every day

e gran parte delle tecnologie che usiamo ogni giorno

could hardly have been imagined

non erano neppure immaginabili

at the time we first started programming on silicon microchips.

agli albori della programmazione su microchip in silicio.

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

Se pensiamo ai potenziali sviluppi tecnologici

enabled by computational biology,

legati alla biologia computazionale,

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

individueremo anche i passi necessari

to make that a reality.

per renderla una realtà.

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

Ora, preoccupa l'idea che questo tipo di tecnologia

could be open to misuse.

potrebbe essere usata impropriamente.

If we're willing to talk about the potential

Se vogliamo occuparci della possibilità

for programming immune cells,

di programmare cellule immunitarie,

we should also be thinking about the potential of bacteria

dobbiamo anche pensare alla possibilità di batteri

engineered to evade them.

progettati per aggirarle.

There might be people willing to do that.

Ci potrebbe essere qualcuno disposto a farlo.

Now, one reassuring thought in this

Un dato rassicurante -

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

beh, non tanto per gli scienziati -

is that biology is a fragile thing to work with.

è che la biologia è un campo delicato in cui lavorare.

So programming biology is not going to be something

Programmarla non è qualcosa

you'll be doing in your garden shed.

che si può fare in cantina.

But because we're at the outset of this,

Poiché siamo agli inizi

we can move forward with our eyes wide open.

dobbiamo procedere tenendo gli occhi bene aperti.

We can ask the difficult questions up front,

Possiamo porci direttamente il problema,

we can put in place the necessary safeguards

approntare le necessarie difese

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

e pensare, nel contempo, alle questioni etiche.

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

Dovremo pensare di porre dei limiti all'utilizzo

of biological function.

della funzione biologica.

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

In quest'ottica, la ricerca in ambito di bioetica dovrà essere prioritaria.

It can't be relegated to second place

Non può essere relegata ad un ruolo di secondo piano

in the excitement of scientific innovation.

a fronte dell'entusiasmo per l'innovazione scientifica.

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

Il risultato più grande, l'obiettivo finale di questo percorso

would be breakthrough applications and breakthrough industries

sarebbero applicazioni e industrie all'avanguardia

in areas from agriculture and medicine to energy and materials

in ambiti che spaziano tra agricoltura, medicina, energia, materiali

and even computing itself.

e persino la stessa elaborazione dati.

Imagine, one day we could be powering the planet sustainably

Pensate, un giorno potremmo dare energia al pianeta in modo sostenibile

on the ultimate green energy

grazie alla migliore energia verde,

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

se riuscissimo a riprodurre ciò che le piante fanno da millenni:

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

come utilizzare l'energia solare con un'efficienza

che è fuori dalla portata dai pannelli fotovoltaici di oggi.

by our current solar cells.

If we understood that program of quantum interactions

Se riuscissimo a capire le interazioni quantistiche

that allow plants to absorb sunlight so efficiently,

usate dalle piante per assorbire la luce solare in modo così efficiente,

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

potremmo usare quella conoscenza per creare circuiti sintetici di DNA

that offer the material for better solar cells.

che sarebbero un materiale per creare pannelli fotovoltaici migliori.

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

In questo momento ci sono gruppi di scienziati che se ne occupano,

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

quindi, con la giusta attenzione e i giusti investimenti

potrebbero essere realizzati in 10 o 15 anni.

it could be realized in 10 or 15 years.

So we are at the beginning of a technological revolution.

Siamo dunque all'inizio di una rivoluzione tecnologica.

Understanding this ancient type of biological computation

Comprendere questa forma antica di computazione biologica

is the critical first step.

rappresenta il primo importante passo.

And if we can realize this,

Se riusciremo a farlo,

we would enter in the era of an operating system

entreremo nell'era di un sistema operativo

that runs living software.

che gestisce software vivente.

Thank you very much.

Grazie mille.

(Applause)

(Applausi)