How designing brand-new enzymes could change the world | Adam Garske

Translator: Ivana Korom Reviewer: Krystian Aparta

Tradutor: Raissa Mendes Revisor: Maricene Crus

Growing up in central Wisconsin, I spent a lot of time outside.

Tendo sido criado no Wisconsin, passei muito tempo ao ar livre.

In the spring, I'd smell the heady fragrance of lilacs.

Na primavera, eu respirava a fragrância inebriante dos lilases.

In the summer, I loved the electric glow of fireflies

No verão, eu adorava o brilho elétrico dos vaga-lumes

as they would zip around on muggy nights.

piscando nas noites abafadas.

In the fall, the bogs were brimming with the bright red of cranberries.

No outono, os pântanos se enchiam com o vermelho brilhante do cranberry.

Even winter had its charms,

Até o inverno tinha seus encantos,

with the Christmassy bouquet emanating from pine trees.

com os ramos natalinos dos pinheiros.

For me, nature has always been a source of wonder and inspiration.

A natureza sempre foi fonte de admiração e inspiração para mim.

As I went on to graduate school in chemistry, and in later years,

Ao longo da minha graduação em química, e nos anos seguintes,

I came to better understand the natural world in molecular detail.

comecei a entender melhor o mundo em detalhes moleculares.

All the things that I just mentioned,

Todas as coisas que acabei de mencionar, do aroma dos lilases, os pinheiros,

from the scents of lilacs and pines

to the bright red of cranberries and the glow of fireflies,

até o vermelho brilhante do cranberry e o brilho dos vaga-lumes,

have at least one thing in common:

têm pelo menos uma coisa em comum:

they're manufactured by enzymes.

elas são feitas de enzimas.

As I said, I grew up in Wisconsin, so of course, I like cheese

Como disse, cresci em Wisconsin, então obviamente gosto de queijo

and the Green Bay Packers.

e dos Green Bay Packers.

But let's talk about cheese for a minute.

Mas vou me deter um pouco no queijo.

For at least the last 7,000 years,

Pelo menos nos últimos 7 mil anos,

humans have extracted a mixture of enzymes

os seres humanos têm extraído uma mistura de enzimas

from the stomachs of cows and sheep and goats

do estômago de vacas, ovelhas e cabras, adicionando-a ao leite.

and added it to milk.

This causes the milk to curdle -- it's part of the cheese-making process.

Isso faz o leite coagular, e é parte do processo de fabricação do queijo.

The key enzyme in this mixture is called chymosin.

A enzima-chave nessa mistura se chama quimosina.

I want to show you how that works.

Vou mostrar como ela funciona.

Right here, I've got two tubes,

Tenho aqui dois tubos,

and I'm going to add chymosin to one of these.

e vou adicionar quimosina num deles.

Just a second here.

Só um minutinho.

Now my son Anthony, who is eight years old,

Meu filho Anthony, de oito anos,

was very interested in helping me figure out a demo for the TED Talk,

me ajudou a preparar esta apresentação para vocês,

and so we were in the kitchen, we were slicing up pineapples,

daí fomos pra cozinha fatiar abacaxis,

extracting enzymes from red potatoes

extrair enzimas de batatas Asterix

and doing all kinds of demos in the kitchen.

e fazer todo tipo de experimento.

And in the end, though,

E, no final, achamos que o da quimosina ficou bem legal.

we thought the chymosin demo was pretty cool.

And so what's happening here

Bem, a quimosina fica nadando no leite

is the chymosin is swimming around in the milk,

and it's binding to a protein there called casein.

e se liga a uma proteína chamada caseína.

What it does then is it clips the casein --

Daí, ela corta a caseína...

it's like a molecular scissors.

é como uma tesoura molecular.

It's that clipping action that causes the milk to curdle.

É esse corte que faz o leite coalhar.

So here we are in the kitchen, working on this.

Aqui estamos nós na cozinha trabalhando nisso.

OK.

Tudo bem.

So let me give this a quick zip.

Vou sacudir os tubos.

And then we'll set these to the side and let these simmer for a minute.

Vou colocar estes de lado, e deixá-los misturar um pouco.

OK.

Ótimo.

If DNA is the blueprint of life,

Se o DNA é o projeto da vida,

as enzimas são as operárias que o executam.

enzymes are the laborers that carry out its instructions.

Uma enzima é uma proteína que é um catalisador

An enzyme is a protein that's a catalyst,

it speeds up or accelerates a chemical reaction,

que agiliza ou acelera uma reação química,

just as the chymosin over here is accelerating the curdling of the milk.

assim como a quimosina aqui está acelerando a coagulação do leite.

But it's not just about cheese.

Mas não tem a ver só com o queijo.

While enzymes do play an important role in the foods that we eat,

Embora as enzimas tenham papel importante em nossa alimentação,

they also are involved in everything from the health of an infant

elas também estão envolvidas em tudo o mais, desde a saúde infantil

to attacking the biggest environmental challenges

até o combate a um dos maiores desafios ambientais de hoje.

we have today.

The basic building blocks of enzymes are called amino acids.

Os tijolos da construção das enzimas se chamam aminoácidos.

There are 20 common amino acids,

Existem 20 aminoácidos comuns,

and we typically designate them with single-letter abbreviations,

e normalmente os designamos por letras, abreviações,

so it's really an alphabet of amino acids.

então é realmente uma sopa de letrinhas de aminoácidos.

In an enzyme, these amino acids are strung together,

Numa enzima, os aminoácidos se ligam

like pearls on a necklace.

como as pérolas num colar.

And it's really the identity of the amino acids,

E a identidade dos aminoácidos tem a ver

which letters are in that necklace,

com as letras desse colar

and in what order they are, what they spell out,

e em que ordem elas aparecem, que palavras formam,

that gives an enzyme its unique properties and differentiates it from other enzymes.

conferindo propriedades únicas a uma enzima e a diferenciando de outras.

Now, this string of amino acids,

Essa cadeia de aminoácidos, esse colar,

this necklace,

faz parte de uma estrutura de ordem superior.

folds up into a higher-order structure.

And if you were to zoom in at the molecular level

E, se eu der um zoom no nível molecular e observarmos a quimosina,

and take a look at chymosin, which is the enzyme working over here,

que é a enzima que atua aqui, veremos algo assim:

you would see it looks like this.

um monte de fios, laços, hélices, voltas e curvas,

It's all these strands and loops and helices and twists and turns,

que precisam dessa conformação exata pra funcionar corretamente.

and it has to be in just this conformation to work properly.

Hoje em dia, podemos produzir enzimas em micróbios,

Nowadays, we can make enzymes in microbes,

and that can be like a bacteria or a yeast, for example.

que podem ser uma bactéria ou uma levedura, por exemplo.

And the way we do this is we get a piece of DNA

Para tanto, pegamos um pedaço de DNA

that codes for an enzyme that we're interested in,

que codifique uma enzima em que estejamos interessados,

we insert that into the microbe,

inserimos no micróbio

and we let the microbe use its own machinery, its own wherewithal,

e deixamos que ele use seus próprios meios

to produce that enzyme for us.

para produzir a enzima para nós.

So if you wanted chymosin, you wouldn't need a calf, nowadays --

Então, hoje, para obter a quimosina, não precisamos de um bezerro;

you could get this from a microbe.

podemos obtê-la de um micróbio.

And what's even cooler, I think,

O mais legal atualmente é poder selecionar sequências de DNA personalizadas

is we can now dial in completely custom DNA sequences

para produzir as enzimas que queremos, coisas que não existem na natureza.

to make whatever enzymes we want,

stuff that's not out there in nature.

And, to me, what's really the fun part

Para mim, a parte divertida é tentar projetar enzimas para um novo uso,

is trying to design an enzyme for a new application,

arranging the atoms just so.

organizando os átomos exatamente para tal.

The act of taking an enzyme from nature and playing with those amino acids,

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

tinkering with those letters,

mexer com essas letras, colocando algumas, tirando outras,

putting some letters in, taking some letters out,

maybe rearranging them a little bit,

reorganizando-as um pouco, talvez,

is a little bit like finding a book

é um pouco como encontrar um livro, editar alguns capítulos ou mudar o final.

and editing a few chapters or changing the ending.

In 2018, the Nobel prize in chemistry

Em 2018, o Prêmio Nobel de Química foi para o desenvolvimento dessa abordagem,

was given for the development of this approach,

which is known as directed evolution.

conhecida como "evolução dirigida".

Nowadays, we can harness the powers of directed evolution

Atualmente, podemos aproveitar os poderes da evolução dirigida

to design enzymes for custom purposes,

para projetar enzimas com fins personalizados,

and one of these is designing enzymes for doing applications in new areas,

e um deles é projetar enzimas para serem usadas

like laundry.

em novas áreas, como lavagem de roupa.

Assim como as enzimas do corpo nos ajudam a digerir a comida que ingerimos,

So just as enzymes in your body

can help you to break down the food that you eat,

enzymes in your laundry detergent

as enzimas no detergente da roupa

can help you to break down the stains on your clothes.

podem nos ajudar a dissolver as manchas dela.

It turns out that about 90 percent of the energy

Ocorre que 90% da energia gasta na lavagem vem do aquecimento da água.

that goes into doing the wash

is from water heating.

And that's for good reason --

E por uma boa razão: a água mais aquecida facilita a limpeza das roupas.

the warmer water helps to get your clothes clean.

But what if you were able to do the wash in cold water instead?

Mas e se pudéssemos lavar com água fria?

Certamente economizaríamos algum dinheiro e, além disso,

You certainly would save some money,

and in addition to that,

according to some calculations done by Procter and Gamble,

segundo cálculos feitos pela Procter and Gamble,

if all households in the US were to do the laundry in cold water,

se todas as famílias nos EUA lavassem as roupas com água fria,

we would save the emissions of 32 metric tons of CO2 each year.

economizaríamos 32 toneladas métricas de emissões de CO2 por ano.

That's a lot,

Isso é muito; é o equivalente ao dióxido de carbono

that's about the equivalent

of the carbon dioxide emitted by 6.3 million cars.

emitido por 6,3 milhões de carros.

So, how would we go about designing an enzyme

Então, como projetar uma enzima para realizar essas mudanças?

to realize these changes?

Enzymes didn't evolve to clean dirty laundry,

As enzimas não evoluíram para lavar roupa suja,

much less in cold water.

muito menos em água fria.

But we can go to nature, and we can find a starting point.

Mas podemos ir para a natureza e encontrar um ponto de partida,

We can find an enzyme that has some starting activity,

uma enzima com alguma atividade inicial,

uma matéria-prima com que possamos trabalhar.

some clay that we can work with.

So this is an example of such an enzyme, right here on the screen.

Temos aqui um exemplo dessa enzima,

And we can start playing with those amino acids, as I said,

e podemos, como disse, brincar com esses aminoácidos,

putting some letters in, taking some letters out,

colocando algumas letras, tirando outras, reorganizando-as.

rearranging those.

And in doing so, we can generate thousands of enzymes.

E, ao fazer isso, podemos criar milhares de enzimas.

And we can take those enzymes,

E podemos pegá-las e testá-las em microplacas como esta.

and we can test them in little plates like this.

So this plate that I'm holding in my hands

Esta placa contém 96 poços,

contains 96 wells,

and in each well is a piece of fabric with a stain on it.

e em cada poço há um pedaço de tecido com uma mancha.

And we can measure how well each of these enzymes

Podemos medir a eficácia de cada uma dessas enzimas

are able to remove the stains from the pieces of fabric,

para remover as manchas dos pedaços de tecido

and in that way see how well it's working.

e, assim, ver como está funcionando.

And we can do this using robotics,

E podemos fazer isso usando robótica, como verão daqui a pouco na tela.

like you'll see in just a second on the screen.

OK, so we do this, and it turns out

Daí, fazemos isso,

that some of the enzymes are sort of in the ballpark

e ocorre que algumas das enzimas estão meio que no estágio inicial.

of the starting enzyme.

That's nothing to write home about.

Nada que mereça atenção.

Some are worse, so we get rid of those.

Algumas são piores, então nos livramos delas.

And then some are better.

E algumas são melhores.

Those improved ones become our version 1.0s.

Aquelas melhoradas se tornam nossa versão 1.0.

Those are the enzymes that we want to carry forward,

Essas são as enzimas com que queremos trabalhar,

and we can repeat this cycle again and again.

e dá pra repetir esse ciclo indefinidamente.

And it's the repetition of this cycle that lets us come up with a new enzyme,

E é essa repetição que nos permite criar uma nova enzima,

something that can do what we want.

algo que faça o que precisamos.

And after several cycles of this,

E, após vários desses ciclos, acabamos chegando a algo novo.

we did come up with something new.

So you can go to the supermarket today, and you can buy a laundry detergent

Hoje é possível ir ao supermercado e comprar um detergente de roupas

that lets you do the wash in cold water because of enzymes like this here.

que permita lavar em água fria, devido a enzimas como esta aqui.

And I want to show you how this one works too.

E quero mostrar pra vocês como esta funciona também.

So I've got two more tubes here,

Então, tenho mais dois tubos,

and these are both milk again.

e, novamente, ambos contêm leite.

And let me show you,

Deixem-me mostrar: vou adicionar esta enzima num deles,

I've got one that I'm going to add this enzyme to

e adicionar um pouco d'água no outro.

and one that I'm going to add some water to.

And that's the control,

Esse é o controle, então não deve acontecer nada neste tubo.

so nothing should happen in that tube.

You might find it curious that I'm doing this with milk.

Vocês podem achar curioso eu fazer isso com o leite.

But the reason that I'm doing this

Mas a escolha se deve ao fato de que o leite é cheio de proteínas,

is because milk is just loaded with proteins,

and it's very easy to see this enzyme working in a protein solution,

e é muito fácil ver esta enzima funcionar numa solução assim,

because it's a master protein chopper,

porque ela é mestre em cortar proteínas,

that's its job.

é isso o que ela faz.

So let me get this in here.

Então deixem-me colocar isto aqui.

And you know, as I said, it's a master protein chopper

E, como expliquei, ela é mestre em cortar proteínas,

and what you can do is you can extrapolate what it's doing in this milk

e podemos extrapolar o que ela faz com o leite

to what it would be doing in your laundry.

para o que estaria fazendo com a roupa.

So this is kind of a way to visualize what would be happening.

Então, é uma maneira de visualizar o que pode acontecer.

OK, so those both went in.

Bem, coloquei nos dois.

And I'm going to give this a quick zip as well.

E vou dar uma chacoalhada rápida também.

OK, so we'll let these sit over here with the chymosin sample,

Agora vamos deixar isso aqui com a amostra da quimosina,

so I'm going to come back to those toward the end.

e no final voltamos pra ver.

Well, what's on the horizon for enzyme design?

Bem, quais as perspectivas quando se fala de projetar enzimas?

Certainly, it will get it faster --

Certamente será mais rápido, pois há abordagens para desenvolver enzimas

there are now approaches for evolving enzymes

that allow researchers to go through far more samples

que permitem aos pesquisadores ter muito mais amostras do que acabei de mostrar.

than I just showed you.

And in addition to tinkering with natural enzymes,

E, além de mexer, como falei, com enzimas naturais,

like we've been talking about,

some scientists are now trying to design enzymes from scratch,

alguns cientistas agora estão tentando projetar enzimas do zero,

using machine learning, an approach from artificial intelligence,

usando aprendizado de máquina, uma abordagem da inteligência artificial,

to inform their enzyme designs.

para informar seus projetos de enzimas.

Still others are adding unnatural amino acids to the mix.

E outros estão adicionando aminoácidos não naturais à mistura.

We talked about the 20 natural amino acids,

Falei dos 20 aminoácidos comuns,

the common amino acids, before --

they're adding unnatural amino acids

eles estão adicionando aminoácidos não naturais

to make enzymes with properties unlike those that could be found in nature.

para fazer enzimas com propriedades diferentes das encontradas na natureza.

That's a pretty neat area.

É uma área bem legal.

How will designed enzymes affect you in years to come?

Como as enzimas projetadas vão nos afetar nos anos vindouros?

Well, I want to focus on two areas:

Bem, quero focar duas áreas:

human health and the environment.

saúde humana e meio ambiente.

Some pharmaceutical companies

Algumas indústrias farmacêuticas têm equipes para projetar enzimas

now have teams that are dedicated to designing enzymes

to make drugs more efficiently and with fewer toxic catalysts.

para fazer drogas mais eficientes e com menos catalisadores tóxicos.

For example, Januvia,

Por exemplo, o Januvia, medicamento para o Diabetes do tipo 2,

which is a medication to treat type 2 diabetes,

is made partially with enzymes.

é parcialmente feito com enzimas.

The number of drugs made with enzymes is sure to grow in the future.

Certamente o número de medicamentos feitos com enzimas vai crescer no futuro.

In another area,

Noutra área, existem certos distúrbios

there are certain disorders

in which a single enzyme in a person's body doesn't work properly.

em que uma única enzima no corpo não funciona adequadamente.

An example of this is called phenylketonuria,

Um exemplo disso é a chamada fenilcetonúria, ou PKU.

or PKU for short.

People with PKU are unable to properly metabolize or digest phenylalanine,

Pessoas com PKU são incapazes de metabolizar ou digerir a fenilalanina,

which is one of the 20 common amino acids that we've been talking about.

que é um dos 20 aminoácidos comuns.

The consequence of ingesting phenylalanine for people with PKU

A ingestão de fenilalanina por pessoas com PKU traz como consequência

is that they are subject to permanent intellectual disabilities,

deixá-las sujeitas a deficiências intelectuais permanentes,

so it's a scary thing to have.

portanto é uma doença assustadora.

Now, those of you with kids --

Então, para quem tem filho...

do you guys have kids, here, which ones have kids?

quem tem filho aqui?

A lot of you.

Muitos de vocês.

So may be familiar with PKUs,

Então já devem ter ouvido falar dela,

because all infants in the US are required to be tested for PKU.

pois todos os bebês nos EUA têm de ser testados para a doença.

I remember when Anthony, my son, had his heel pricked to test for it.

Lembro-me de quando furaram o calcanhar do Anthony, meu filho, para o teste.

The big challenge with this is: What do you eat?

O grande desafio da doença é: o que comer?

Phenylalanine is in so many foods, it's incredibly hard to avoid.

A fenilalanina está presente em diversos alimentos; é muito difícil de evitar.

Now, Anthony has a nut allergy, and I thought that was tough,

O Anthony tem uma alergia a nozes, e já acho difícil,

but PKU's on another level of toughness.

mas a PKU está num outro nível.

However, new enzymes may soon enable PKU patients

Mas, em breve, novas enzimas poderão permitir a pacientes com PKU

to eat whatever they want.

comer o que quiserem.

Recently, the FDA approved an enzyme designed to treat PKU.

Recentemente, a FDA aprovou uma enzima projetada para tratar a PKU.

This is big news for patients,

Esta é uma ótima notícia não só para os pacientes,

and it's actually very big news

mas também para o campo da terapia da substituição enzimática em geral,

for the field of enzyme-replacement therapy more generally,

because there are other targets out there where this would be a good approach.

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

So that was a little bit about health.

Bem, abordei um pouco a saúde, agora quero falar sobre o meio ambiente.

Now I'm going to move to the environment.

When I read about the Great Pacific Garbage Patch --

Quando li sobre o Lixão do Pacífico,

by the way, that's, like, this huge island of plastic,

que é uma enorme ilha cheia de plástico localizada entre a Califórnia e o Havaí,

somewhere between California and Hawaii --

and about microplastics pretty much everywhere,

e sobre microplásticos praticamente em todo lugar,

it's upsetting.

achei isso perturbador.

Plastics aren't going away anytime soon.

Os plásticos não vão desaparecer tão cedo.

But enzymes may help us in this area as well.

Mas as enzimas podem nos ajudar nessa área também.

Recently, bacteria producing plastic-degrading enzymes were discovered.

Recentemente descobriram-se bactérias produtoras de enzima plástico-degradável.

Efforts are already underway to design improved versions

Esforços para projetar versões aprimoradas dessas enzimas já estão em andamento.

of these enzymes.

At the same time, there are enzymes that have been discovered

Ao mesmo tempo,

há enzimas que foram descobertas e estão sendo otimizadas

and that are being optimized

to make non-petroleum-derived biodegradable plastics.

para fazer plásticos biodegradáveis não derivados de petróleo.

Enzymes may also offer some help in capturing greenhouse gases,

As enzimas também podem ajudar na captura de gases do efeito estufa,

such as carbon dioxide, methane and nitrous oxide.

como dióxido de carbono, metano e óxido nitroso.

Now, there is no doubt, these are major challenges,

Bem, não há dúvida: esses são desafios enormes,

and none of them are easy.

e nenhum deles é fácil.

But our ability to harness enzymes may help us to tackle these in the future,

Mas nossa capacidade de usar enzimas pode nos ajudar a resolvê-los no futuro,

então esperamos ansiosamente por essas soluções.

so I think that's another area to be looking forward.

So now I'm going to get back to the demo --

Mas vou voltar à demonstração; essa é a parte divertida.

this is the fun part.

So we'll start with the chymosin samples.

Começarei com as amostras com quimosina.

So let me get these over here.

Deixem-me colocar isto aqui.

And you can see here,

E aqui está o tubo em que coloquei água,

this is the one that got the water,

so nothing should happen to this milk.

então não deve acontecer nada com o leite.

This is the one that got the chymosin.

Este é o tubo que recebeu a quimosina.

So you can see that it totally clarified up here.

Dá pra ver como ficou translúcido aqui em cima.

There's all this curdled stuff, that's cheese,

E há esse material coagulado: é queijo, que acabei de fazer nos últimos minutos.

we just made cheese in the last few minutes.

So this is that reaction

Então essa é a reação realizada pelas pessoas há milhares de anos.

that people have been doing for thousands and thousands of years.

I'm thinking about doing this one at our next Kids to Work Day demo

Acho que vou repetir isso no dia de levar os filhos pro trabalho,

but they can be a tough crowd, so we'll see.

mas às vezes as crianças são difíceis de agradar, vamos ver.

(Laughter)

And then the other one I want to look at is this one.

E o outro tubo que quero ver é este aqui.

So this is the enzyme for doing your laundry.

Esta é a enzima pra lavar roupa.

And you can see that it's different than the one that has the water added.

E dá pra ver que é diferente do tubo com adição de água.

It's kind of clarifying,

É meio clareador, e é exatamente o que queremos na lavagem de roupas,

and that's just what you want for an enzyme in your laundry,

because you want to be able to have an enzyme

pois queremos uma enzima

that can be a protein chowhound, just chew them up,

que seja uma trituradora de proteínas, que as destrua,

because you're going to get different protein stains on your clothes,

porque sempre temos manchas diferentes em nossas roupas,

como achocolatado, graxa, por exemplo,

like chocolate milk or grass stains, for example,

e uma coisa assim vai ajudar a retirá-las.

and something like this is going to help you get them off.

And this is also going to be the thing that allows you

E isso também vai permitir lavar com água fria, reduzir a pegada de carbono

to do the wash in cold water, reduce your carbon footprint

and save you some money.

e economizar algum dinheiro.

Well, we've come a long way,

Bem, percorremos um longo caminho

considering this 7,000-year journey from enzymes in cheese making

nessa jornada de 7 mil anos de enzimas sendo usadas na fabricação de queijos,

to the present day and enzyme design.

até atualmente, de podermos projetar enzimas.

We're really at a creative crossroads,

Estamos numa encruzilhada criativa

and with enzymes, can edit what nature wrote

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

or write our own stories with amino acids.

ou escrever, com aminoácidos, nossa própria história.

So next time you're outdoors on a muggy night

Então, da próxima vez que estiverem ao ar livre, numa noite abafada,

and you see a firefly,

e virem um vaga-lume,

I hope you think of enzymes.

espero que pensem nas enzimas.

They're doing amazing things for us today.

Atualmente, elas estão fazendo coisas incríveis por nós.

And by design,

E, através do design,

they could be doing even more amazing things tomorrow.

poderão fazer coisas mais incríveis ainda amanhã.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)