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

Tradutor: Maurício Kakuei Tanaka Revisor: Leonardo Silva

The second half of the last century was completely defined

A segunda metade do século passado foi completamente definida

by a technological revolution:

por uma revolução tecnológica:

the software revolution.

a revolução do software.

The ability to program electrons on a material called silicon

A capacidade de programar elétrons em um material chamado silício

made possible technologies, companies and industries

possibilitou tecnologias, empresas e indústrias

that were at one point unimaginable to many of us,

que eram, em algum momento, inimagináveis para muitos de nós,

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

mas que, agora, mudaram fundamentalmente a maneira como o mundo funciona.

The first half of this century, though,

Porém a primeira metade deste século

is going to be transformed by a new software revolution:

será transformada por uma nova revolução de software:

the living software revolution.

a revolução do software vivo.

And this will be powered by the ability to program biochemistry

Ela será movida pela capacidade de programar a bioquímica

on a material called biology.

em um material chamado biologia.

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

Isso nos permitirá aproveitar as propriedades da biologia

to generate new kinds of therapies,

para gerar novos tipos de terapias,

to repair damaged tissue,

reparar tecidos danificados,

to reprogram faulty cells

reprogramar células defeituosas

or even build programmable operating systems out of biochemistry.

ou até construir sistemas operacionais programáveis a partir da bioquímica.

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

Se conseguirmos perceber isso, e precisamos perceber,

its impact will be so enormous

o impacto será tão grande

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

que a primeira revolução do software perderá importância na comparação.

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

Isso ocorre porque o software vivo transformaria toda a medicina,

agriculture and energy,

agricultura e energia,

and these are sectors that dwarf those dominated by IT.

que são setores que diminuem aqueles dominados pela TI.

Imagine programmable plants that fix nitrogen more effectively

Imaginem plantas programáveis que fixam o nitrogênio de maneira mais eficaz

or resist emerging fungal pathogens,

ou resistem a patógenos fúngicos emergentes,

or even programming crops to be perennial rather than annual

ou até mesmo programar as safras para serem perenes, em vez de anuais,

so you could double your crop yields each year.

para que a produção seja duplicada a cada ano.

That would transform agriculture

Isso transformaria a agricultura

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

e o modo como manteremos alimentada nossa crescente população global.

Or imagine programmable immunity,

Ou imaginem uma imunidade programável,

designing and harnessing molecular devices that guide your immune system

o projeto e o aproveitamento de dispositivos moleculares

que guiam o sistema imunológico

to detect, eradicate or even prevent disease.

para detectar, erradicar, ou até mesmo prevenir doenças.

This would transform medicine

Isso transformaria a medicina

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

e o modo como manteremos saudável nossa crescente população de idosos.

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

Já temos muitas das ferramentas

que tornarão o software vivo uma realidade.

We can precisely edit genes with CRISPR.

Podemos editar genes com precisão usando o CRISPR,

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

reescrever o código genético uma base por vez

We can even build functioning synthetic circuits out of DNA.

e até construir circuitos sintéticos funcionais a partir do DNA.

But figuring out how and when to wield these tools

Mas descobrir como e quando usar essas ferramentas

is still a process of trial and error.

ainda é um processo de tentativa e erro.

It needs deep expertise, years of specialization.

Requer conhecimento profundo e anos de especialização.

And experimental protocols are difficult to discover

Protocolos experimentais são difíceis de descobrir

and all too often, difficult to reproduce.

e frequentemente difíceis de reproduzir.

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

Na biologia, temos a tendência de focar muito as partes,

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

mas todos sabemos que algo como voar

não seria entendido apenas pelo estudo das penas.

by only studying feathers.

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

Programar biologia não é tão simples quanto programar um computador.

And then to make matters worse,

Para piorar a situação,

living systems largely bear no resemblance to the engineered systems

sistemas vivos não têm grande semelhança com sistemas de engenharia

that you and I program every day.

que programamos todos os dias.

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

Ao contrário de sistemas de engenharia, sistemas vivos se autogeram,

they self-organize,

se auto-organizam,

they operate at molecular scales.

operam em escalas moleculares.

And these molecular-level interactions

Essas interações de nível molecular

lead generally to robust macro-scale output.

levam geralmente a resultados robustos em macroescala.

They can even self-repair.

Esses sistemas conseguem até mesmo se autocorrigirem.

Consider, for example, the humble household plant,

Considerem, por exemplo, a humilde planta doméstica,

like that one sat on your mantelpiece at home

como aquela de sua casa,

that you keep forgetting to water.

que você se esquece de regar.

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

Todos os dias, apesar de sua negligência, essa planta precisa acordar

and figure out how to allocate its resources.

e descobrir como alocar seus recursos.

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

Ela crescerá, fará fotossíntese, produzirá sementes ou flores?

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

Essa é uma decisão que deve ser tomada no nível de todo o organismo.

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

Mas uma planta não tem cérebro para tomar decisões.

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

Ela tem que se virar com as células de suas folhas,

They have to respond to the environment

que precisam reagir ao meio ambiente

and make the decisions that affect the whole plant.

e tomar as decisões que afetam toda a planta.

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

De alguma forma, deve haver um programa em execução dentro dessas células,

a program that responds to input signals and cues

que responde às pistas e aos sinais de entrada

and shapes what that cell will do.

e modela o que essa célula fará.

And then those programs must operate in a distributed way

Depois, esses programas devem operar de modo distribuído

across individual cells,

entre células individuais

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

para que possam se coordenar

e para que essa planta consiga crescer e florescer.

If we could understand these biological programs,

Se conseguíssemos entender esses programas biológicos

if we could understand biological computation,

e a computação biológica,

it would transform our ability to understand how and why

isso transformaria nossa capacidade de entender como e por que

cells do what they do.

as células fazem o que fazem.

Because, if we understood these programs,

Porque, se entendêssemos esses programas, poderíamos detectar e eliminar erros.

we could debug them when things go wrong.

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

Ou poderíamos aprender com eles a projetar o tipo de circuitos sintéticos

that truly exploit the computational power of biochemistry.

que realmente exploram o poder computacional da bioquímica.

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

Minha paixão por essa ideia me levou a uma carreira de pesquisa

at the interface of maths, computer science and biology.

em matemática, biologia e ciência da computação.

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

Em meu trabalho, eu me concentro no conceito de biologia como computação.

And that means asking what do cells compute,

Isso significa perguntar o que as células computam,

and how can we uncover these biological programs?

e como podemos descobrir esses programas biológicos.

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

Comecei a fazer essas perguntas com alguns colaboradores geniais

at Microsoft Research and the University of Cambridge,

da Microsoft Research e da Universidade de Cambridge,

onde, juntos, queríamos entender

where together we wanted to understand

the biological program running inside a unique type of cell:

o programa biológico em execução dentro de um tipo único de célula:

an embryonic stem cell.

uma célula-tronco embrionária.

These cells are unique because they're totally naïve.

Essas células são únicas porque são totalmente simples.

They can become anything they want:

Elas conseguem se transformar no que quiserem:

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

uma célula cerebral, cardíaca, óssea, pulmonar,

any adult cell type.

qualquer tipo de célula adulta.

This naïvety, it sets them apart,

Essa simplicidade as diferencia,

but it also ignited the imagination of the scientific community,

mas também estimula a imaginação da comunidade científica,

who realized, if we could tap into that potential,

que percebeu que, se conseguíssemos aproveitar esse potencial,

we would have a powerful tool for medicine.

teríamos uma ferramenta poderosa para a medicina.

If we could figure out how these cells make the decision

Se conseguíssemos descobrir como essas células decidem

to become one cell type or another,

se tornar um tipo de célula ou outra,

we might be able to harness them

poderíamos aproveitá-las para gerar células necessárias

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

para reparar tecidos doentes ou danificados.

But realizing that vision is not without its challenges,

Mas perceber que essa visão não está isenta de desafios,

not least because these particular cells,

principalmente porque essas células específicas

they emerge just six days after conception.

surgem apenas seis dias após a concepção

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

e, cerca de um dia depois, elas se foram.

They have set off down the different paths

Seguiram os diferentes caminhos

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

que formam todas as estruturas e órgãos do corpo adulto.

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

Mas acontece que o destino das células é muito mais plástico

than we might have imagined.

do que poderíamos imaginar.

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

Cerca de 13 anos atrás, alguns cientistas mostraram algo realmente revolucionário.

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

Ao introduzir apenas um punhado de genes em uma célula adulta,

like one of your skin cells,

como uma das células da pele,

you can transform that cell back to the naïve state.

podemos transformar essa célula de volta ao estado simples.

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

É um processo conhecido como "reprogramação",

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

que nos permite imaginar um tipo de utopia de células-tronco:

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

a capacidade de coletar uma amostra das células de um paciente,

transform them back to the naïve state

transformá-las de volta ao estado simples

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

e usá-las para fazer o que o paciente precisar,

whether it's brain cells or heart cells.

sejam células cerebrais ou cardíacas.

But over the last decade or so,

Mas, ao longo da última década,

figuring out how to change cell fate,

descobrir como mudar o destino das células

it's still a process of trial and error.

ainda é um processo de tentativa e erro.

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

Mesmo nos casos em que descobrimos protocolos experimentais bem-sucedidos,

they're still inefficient,

eles ainda são ineficientes,

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

e nos falta um entendimento fundamental de como e por que eles funcionam.

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

Descobrir como transformar uma célula-tronco em uma cardíaca

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

não dirá como transformar uma célula-tronco

into a brain cell.

em uma célula cerebral.

So we wanted to understand the biological program

Queríamos entender

o programa biológico em execução dentro de uma célula-tronco embrionária.

running inside an embryonic stem cell,

and understanding the computation performed by a living system

O entendimento da computação realizada por um sistema vivo

starts with asking a devastatingly simple question:

começa por uma pergunta incrivelmente simples:

What is it that system actually has to do?

"O que esse sistema realmente precisa fazer?"

Now, computer science actually has a set of strategies

A ciência da computação tem um conjunto de estratégias

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

para lidar com o que o software e o hardware estão destinados a fazer.

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

Ao escrever um programa, você codifica um software,

you want that software to run correctly.

e quer que ele seja executado corretamente.

You want performance, functionality.

Você quer desempenho, funcionalidade.

Quer evitar erros,

You want to prevent bugs.

They can cost you a lot.

que podem lhe custar muito.

So when a developer writes a program,

Quando um desenvolvedor programa,

ele poderia anotar uma série de especificações

they could write down a set of specifications.

These are what your program should do.

que o programa deveria fazer.

Talvez deveria comparar o tamanho de dois números

Maybe it should compare the size of two numbers

or order numbers by increasing size.

ou ordená-los de forma crescente.

Technology exists that allows us automatically to check

A tecnologia nos permite verificar automaticamente

whether our specifications are satisfied,

se nossas especificações são atendidas,

whether that program does what it should do.

se o programa faz o que deveria fazer.

And so our idea was that in the same way,

Então, nossa ideia era que, do mesmo modo,

as observações experimentais, que avaliamos no laboratório,

experimental observations, things we measure in the lab,

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

correspondam às especificações do que o programa biológico deveria fazer.

So we just needed to figure out a way

Só precisávamos descobrir uma forma

to encode this new type of specification.

de codificar esse novo tipo de especificação.

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

Digamos que você estivesse ocupado no laboratório avaliando seus genes

e descobrisse que, se o gene A está ativo,

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

then Gene B or Gene C seems to be active.

então o gene B ou C parece estar ativo.

We can write that observation down as a mathematical expression

Podemos anotar essa observação como uma expressão matemática

if we can use the language of logic:

se pudermos usar a linguagem da lógica:

If A, then B or C.

se A, então B ou C.

Now, this is a very simple example, OK.

Esse é um exemplo muito simples,

It's just to illustrate the point.

apenas para exemplificar a questão.

We can encode truly rich expressions

Podemos codificar expressões muito ricas

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

que capturam o comportamento de múltiplos genes ou proteínas ao longo do tempo

across multiple different experiments.

através de vários experimentos diferentes.

And so by translating our observations

Assim, ao traduzir nossas observações

into mathematical expression in this way,

em expressão matemática dessa forma,

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

é possível testar se essas observações podem ou não surgir

from a program of genetic interactions.

de um programa de interações genéticas.

And we developed a tool to do just this.

Desenvolvemos uma ferramenta para fazer exatamente isso.

We were able to use this tool to encode observations

Conseguimos utilizá-la para codificar observações

as mathematical expressions,

como expressões matemáticas,

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

e essa ferramenta nos permitia descobrir o programa genético

that could explain them all.

que poderia explicar todas elas.

And we then apply this approach

Em seguida, aplicamos essa abordagem para descobrir

to uncover the genetic program running inside embryonic stem cells

o programa genético em execução dentro das células-tronco embrionárias

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

para ver se conseguíamos entender como induzir aquele estado simples.

And this tool was actually built

Essa ferramenta, na verdade, foi construída

on a solver that's deployed routinely around the world

num solucionador implantado frequentemente no mundo todo

for conventional software verification.

para verificação de software convencional.

So we started with a set of nearly 50 different specifications

Começamos com um conjunto de quase 50 especificações diferentes

that we generated from experimental observations of embryonic stem cells.

que geramos a partir de observações experimentais

de células-tronco embrionárias.

And by encoding these observations in this tool,

Ao codificar essas observações nessa ferramenta,

we were able to uncover the first molecular program

conseguimos descobrir o primeiro programa molecular

that could explain all of them.

que poderia explicar todas elas.

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

Isso por si só é uma façanha.

Being able to reconcile all of these different observations

Conseguir conciliar todas essas observações diferentes

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

não é o tipo de coisa que se pode fazer no verso de um envelope,

even if you have a really big envelope.

mesmo que ele seja muito grande.

Because we've got this kind of understanding,

Com esse tipo de entendimento, poderíamos dar um passo adiante

we could go one step further.

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

e usar esse programa para prever o que essa célula podia fazer

in conditions we hadn't yet tested.

em condições que ainda não havíamos testado.

We could probe the program in silico.

Poderíamos examinar o programa por meio de simulações.

And so we did just that:

Foi o que fizemos:

geramos previsões, que testamos no laboratório,

we generated predictions that we tested in the lab,

and we found that this program was highly predictive.

e descobrimos que esse programa era altamente preditivo.

It told us how we could accelerate progress

Ele informava como poderíamos acelerar o progresso

back to the naïve state quickly and efficiently.

de volta ao estado simples de maneira rápida e eficiente,

It told us which genes to target to do that,

quais genes selecionar para fazer isso

which genes might even hinder that process.

e quais deles até podem dificultar esse processo.

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

Até descobrimos que o programa previa a ordem na qual os genes seriam ativados.

So this approach really allowed us to uncover the dynamics

Essa abordagem nos permitiu descobrir a dinâmica

of what the cells are doing.

do que as células estão fazendo.

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

Não desenvolvemos um método específico para a biologia de células-tronco.

Rather, it allows us to make sense of the computation

Em vez disso, esse método permite entender a computação realizada pela célula

being carried out by the cell

in the context of genetic interactions.

no contexto de interações genéticas.

So really, it's just one building block.

É apenas um componente básico.

The field urgently needs to develop new approaches

A área precisa desenvolver, com urgência, novas abordagens

to understand biological computation more broadly

para entender a computação biológica de modo mais amplo e em níveis diferentes,

and at different levels,

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

desde o DNA até o fluxo de informações entre as células.

Only this kind of transformative understanding

Somente esse tipo de entendimento transformador

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

nos permitirá aproveitar a biologia de maneiras previsíveis e confiáveis.

But to program biology, we will also need to develop

Mas, para programar a biologia,

também precisaremos desenvolver os tipos de ferramentas e linguagens

the kinds of tools and languages

that allow both experimentalists and computational scientists

que permitam aos experimentalistas e aos cientistas da computação

to design biological function

projetar funções biológicas,

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

e que esses projetos sejam compilados até o código de máquina da célula,

its biochemistry,

sua bioquímica,

so that we could then build those structures.

para que possamos, então, construir essas estruturas.

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

Isso é algo semelhante a um compilador de software vivo,

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

e me orgulho de fazer parte

de uma equipe da Microsoft que trabalha para desenvolver um.

that's working to develop one.

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

Embora seja um eufemismo dizer que é um grande desafio,

but if it's realized,

a sua realização

it would be the final bridge between software and wetware.

seria a ponte final entre o software e o cérebro humano.

Mais amplamente, porém, a programação da biologia só será possível

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

if we can transform the field into being truly interdisciplinary.

se pudermos transformar a área em algo verdadeiramente interdisciplinar.

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

Precisamos relacionar as ciências físicas e a vida,

and scientists from each of these disciplines

e os cientistas de cada uma dessas disciplinas

need to be able to work together with common languages

precisam conseguir trabalhar juntos com linguagens comuns

and to have shared scientific questions.

e compartilhar questões científicas.

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

A longo prazo, vale lembrar que muitas das empresas gigantes de software

and the technology that you and I work with every day

e a tecnologia com a qual trabalhamos todos os dias

dificilmente poderiam ser imaginadas

could hardly have been imagined

at the time we first started programming on silicon microchips.

quando começamos a programar em microchips de silício.

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

Se começarmos agora a pensar

no potencial da tecnologia possibilitada pela biologia computacional,

enabled by computational biology,

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

veremos alguns dos passos que precisamos seguir pelo caminho

to make that a reality.

para torná-la realidade.

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

É desanimador pensar que esse tipo de tecnologia

could be open to misuse.

pode estar aberto ao uso indevido.

If we're willing to talk about the potential

Se quisermos falar sobre o potencial de programar células imunológicas,

for programming immune cells,

we should also be thinking about the potential of bacteria

também devemos pensar no potencial de bactérias projetadas para evitá-las.

engineered to evade them.

There might be people willing to do that.

Pode haver pessoas dispostas a fazer isso.

Now, one reassuring thought in this

Um pensamento animador a respeito,

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

menos para os cientistas,

is that biology is a fragile thing to work with.

é a fragilidade do trabalho com a biologia.

So programming biology is not going to be something

Programar biologia não será algo que você fará no galpão do quintal.

you'll be doing in your garden shed.

But because we're at the outset of this,

Mas, como estamos no início,

we can move forward with our eyes wide open.

podemos avançar com os olhos bem abertos.

We can ask the difficult questions up front,

Podemos fazer as perguntas difíceis com antecedência,

we can put in place the necessary safeguards

pôr em prática as proteções necessárias

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

e, como parte disso, teremos que pensar em nossa ética.

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

Teremos que pensar em colocar limites na implementação da função biológica.

of biological function.

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

Como parte disso, a pesquisa em bioética terá que ser uma prioridade.

It can't be relegated to second place

Não pode ser relegada ao segundo plano

in the excitement of scientific innovation.

na empolgação da inovação científica.

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

Mas o prêmio final, o destino final dessa jornada,

would be breakthrough applications and breakthrough industries

seriam aplicações e indústrias inovadoras

in areas from agriculture and medicine to energy and materials

em áreas como agricultura, medicina, energia e materiais

and even computing itself.

e até a própria computação.

Imagine, one day we could be powering the planet sustainably

Imaginem, um dia, podermos alimentar o planeta de modo sustentável

on the ultimate green energy

com a energia verde final,

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

se pudéssemos imitar algo que as plantas descobriram há milênios:

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

como aproveitar a energia do Sol com uma eficiência sem paralelo

by our current solar cells.

por nossas células solares atuais.

If we understood that program of quantum interactions

Se entendêssemos esse programa de interações quânticas

that allow plants to absorb sunlight so efficiently,

que permitem que as plantas absorvam a luz do Sol com tanta eficiência,

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

poderíamos traduzir isso na construção de circuitos de DNA sintético

that offer the material for better solar cells.

que oferecessem o material para células solares melhores.

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

Há equipes e cientistas trabalhando nos fundamentos disso neste momento.

Se talvez recebessem a atenção e o investimento adequados,

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

isso poderia ocorrer em 10 ou 15 anos.

it could be realized in 10 or 15 years.

So we are at the beginning of a technological revolution.

Estamos no início de uma revolução tecnológica.

Understanding this ancient type of biological computation

Compreender esse tipo antigo de computação biológica

is the critical first step.

é o primeiro passo decisivo.

And if we can realize this,

Se pudermos perceber isso,

we would enter in the era of an operating system

entraremos na era de um sistema operacional

that runs living software.

que executa software vivo.

Thank you very much.

Muito obrigada.

(Applause)

(Aplausos)