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

Translator: Ivana Korom Reviewer: Krystian Aparta

Tradutor: Isabel Silva Revisora: Margarida Ferreira

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

Tendo crescido no Wisconsin, passava muito tempo ao ar livre.

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

Na primavera, sentia o aroma inebriante da fragância dos lilases.

In the summer, I loved the electric glow of fireflies

No verão, adorava o brilho elétrico dos pirilampos

as they would zip around on muggy nights.

a voarem em círculos nas noites abafadas.

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

No outono, os pântanos resplandeciam com o vermelho vivo dos arandos.

Even winter had its charms,

Até o inverno tinha o seu encanto,

with the Christmassy bouquet emanating from pine trees.

com o ramo natalício dos pinheiros.

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

A Natureza sempre foi uma fonte de admiração e inspiração.

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

Quando fui para a faculdade estudar química, e nos anos seguintes,

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

comecei a compreender melhor o mundo natural no pormenor molecular.

All the things that I just mentioned,

Tudo o que acabei de referir,

from the scents of lilacs and pines

dos aromas a lilases e pinheiros

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

ao vermelho vivo dos arandos e ao brilho dos pirilampos,

have at least one thing in common:

têm pelo menos uma coisa em comum:

they're manufactured by enzymes.

são produzidos por enzimas.

Como disse, cresci no Wisconsin, por isso, gosto de queijo

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

and the Green Bay Packers.

e dos Green Bay Packers.

But let's talk about cheese for a minute.

Mas falemos de queijo por um minuto.

For at least the last 7,000 years,

Pelo menos nos últimos 7000 anos,

humans have extracted a mixture of enzymes

que os humanos têm extraído uma mistura de enzimas

from the stomachs of cows and sheep and goats

dos estômagos das vacas, das ovelhas e das cabras

and added it to milk.

e adicionaram-nas ao leite.

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

Isto faz o leite coalhar e faz parte do processo de fazer queijo.

The key enzyme in this mixture is called chymosin.

A enzima chave desta mistura chama-se quimosina.

I want to show you how that works.

Vou mostrar-vos como funciona.

Right here, I've got two tubes,

Aqui, tenho dois tubos.

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

e vou adicionar quimosina a um deles.

Just a second here.

Só um segundo.

Now my son Anthony, who is eight years old,

Agora o meu filho Anthony, que tem oito anos,

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

queria muito ajudar a criar uma experiência para a TED Talk,

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

e, então, nós estávamos na cozinha a cortar fatias de ananases,

extracting enzymes from red potatoes

a extrair enzimas de batatas vermelhas

and doing all kinds of demos in the kitchen.

e a fazer todo o tipo de experiências na cozinha.

And in the end, though,

we thought the chymosin demo was pretty cool.

Mas, por fim, achámos que a experiência da quimosina era muito fixe.

And so what's happening here

E então, o que acontece aqui

is the chymosin is swimming around in the milk,

é que a quimosina está-se a misturar com o leite,

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

e está a ligar-se a uma proteína chamada caseína.

What it does then is it clips the casein --

O que faz a seguir é cortar 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 essa ação de separação que leva o leite a coalhar.

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

Aqui somos nós na cozinha a trabalhar nisto.

OK.

OK.

So let me give this a quick zip.

Vamos fechar isto.

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

Vamos pôr estes de lado e vamos deixar estes fervilhar um minuto.

OK.

OK.

If DNA is the blueprint of life,

Se o ADN é o manual da vida,

enzymes are the laborers that carry out its instructions.

as enzimas são os operários que executam as suas instruções.

An enzyme is a protein that's a catalyst,

Uma enzima é uma proteína catalisadora,

it speeds up or accelerates a chemical reaction,

apressa ou acelera uma reação química,

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

tal como a quimosina aqui está a acelerar o coalhar do leite.

But it's not just about cheese.

Mas não se trata apenas de queijo.

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

Além de terem uma função importante nos nossos alimentos,

as enzimas também têm um papel em tudo,

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

desde a saúde de uma criança,

to attacking the biggest environmental challenges

ao ataque aos maiores desafios ambientais

we have today.

que temos hoje.

The basic building blocks of enzymes are called amino acids.

Os blocos de construção das enzimas chamam-se aminoácidos.

There are 20 common amino acids,

Há vinte aminoácidos comuns,

and we typically designate them with single-letter abbreviations,

e normalmente designamo-los com abreviaturas de uma letra,

so it's really an alphabet of amino acids.

por isso há um alfabeto de aminoácidos

In an enzyme, these amino acids are strung together,

Numa enzima, estes aminoácidos estão ligados,

like pearls on a necklace.

como pérolas num colar.

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

E é a identidade dos aminoácidos

which letters are in that necklace,

que lhes atribui as letras no colar,

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

a ordem em que estão, o que soletram,

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

dando à enzima propriedades únicas e diferenciando-a das outras enzimas.

Now, this string of amino acids,

Esta cadeia de aminoácidos — este colar —

this necklace,

folds up into a higher-order structure.

desdobra-se numa estrutura de ordem superior

And if you were to zoom in at the molecular level

E se nos aproximarmos do nível molecular

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

e olharmos para a quimosina, a enzima que temos aqui,

you would see it looks like this.

verão que tem este aspeto.

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

São todos estes cordões, laços, hélices e nós e voltas,

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

e tem de ter esta estrutura para funcionar adequadamente.

Nowadays, we can make enzymes in microbes,

Atualmente, podemos fazer enzimas em micróbios,

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

podendo ser numa bactéria ou numa levedura, por exemplo.

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

E a maneira de o fazermos é pegar numa parte de ADN

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

que tem o código da enzima que nos interessa,

we insert that into the microbe,

introduzimo-lo nesse micróbio,

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

e deixamos o micróbio usar a sua própria maquinaria, os seus meios,

to produce that enzyme for us.

para produzir a enzima.

Hoje, se queremos quimosina, já não precisamos de um vitelo

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

you could get this from a microbe.

— conseguimo-la a partir de um micróbio.

And what's even cooler, I think,

E o que é ainda melhor

is we can now dial in completely custom DNA sequences

é que podemos escolher sequências de ADN específicos

to make whatever enzymes we want,

para fazer todas as enzimas que quisermos,

stuff that's not out there in nature.

coisas que não existem na Natureza.

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

Acho que a parte mais divertida

is trying to design an enzyme for a new application,

é tentar desenhar uma enzima para uma nova aplicação,

arranging the atoms just so.

organizar os átomos, só isso.

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,

mexendo nas letras,

putting some letters in, taking some letters out,

adicionando umas, tirando outras,

maybe rearranging them a little bit,

talvez reorganizando um pouco,

is a little bit like finding a book

é um pouco como encontrar um livro,

and editing a few chapters or changing the ending.

e editar alguns capítulos ou mudar o final.

In 2018, the Nobel prize in chemistry

Em 2018, o prémio Nobel da química

was given for the development of this approach,

foi atribuído ao desenvolvimento desta abordagem,

which is known as directed evolution.

que é agora 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 conceber enzimas com fins específicos,

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

e um deles é conceber enzimas para aplicação em novas áreas,

like laundry.

como a lavandaria.

So just as enzymes in your body

Tal como as enzimas no nosso corpo

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

podem ajudar a digerir os alimentos que comemos,

enzymes in your laundry detergent

as enzimas no detergente da roupa

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

podem ajudar a eliminar as manchas na roupa.

It turns out that about 90 percent of the energy

Acontece que 90% da energia usada na lavagem

that goes into doing the wash

is from water heating.

é para aquecer a água.

And that's for good reason --

E essa é uma boa razão

the warmer water helps to get your clothes clean.

porque a água mais quente ajuda a limpar a roupa.

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

Mas, e se conseguíssemos lavar a roupa em água fria?

Certamente íamos poupar algum dinheiro,

You certainly would save some money,

and in addition to that,

e além disso,

according to some calculations done by Procter and Gamble,

de acordo com alguns cálculos feitos pela Procter and Gamble,

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

se todas as casas no EUA lavassem a roupa com água fria,

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

pouparíamos 32 toneladas de emissões de CO2 por ano.

That's a lot,

É imenso, é mais ou menos o equivalente

that's about the equivalent

of the carbon dioxide emitted by 6.3 million cars.

ao dióxido de carbono emitido por 6,3 milhões de carros

So, how would we go about designing an enzyme

Então, como vamos conceber uma enzima

to realize these changes?

para concretizar estas mudanças?

Enzymes didn't evolve to clean dirty laundry,

As enzimas não se desenvolveram para limpar a 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 à Natureza e encontrar um ponto de partida.

We can find an enzyme that has some starting activity,

Podemos encontrar uma enzima com alguma atividade inicial,

some clay that we can work with.

algum barro com que possamos trabalhar.

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

Este é um exemplo de uma tal enzima, aqui no ecrã.

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

E podemos começar a brincar com esses aminoácidos, como referi,

putting some letters in, taking some letters out,

adicionando e tirando letras,

rearranging those.

reorganizando-as.

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

E ao fazê-lo, podemos gerar milhares de enzimas.

And we can take those enzymes,

E podemos pegar nessas enzimas,

and we can test them in little plates like this.

e testá-las em pequenas placas como estas.

So this plate that I'm holding in my hands

Então, a placa que tenho nas mãos

contains 96 wells,

contém 96 orifícios

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

Em cada orifício há um pedaço de tecido com uma nódoa.

And we can measure how well each of these enzymes

E podemos medir como cada enzima

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

consegue remover as nódoas destes tecidos,

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

e desse modo ver quão bem funciona.

And we can do this using robotics,

E podemos fazê-lo usando a robótica,

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

tal como vão ver a seguir no ecrã.

OK, so we do this, and it turns out

OK, fazemos isto e acontece que

that some of the enzymes are sort of in the ballpark

algumas das enzimas são uma espécie de aproximação da enzima inicial.

of the starting enzyme.

That's nothing to write home about.

Nada de extraordinário.

Some are worse, so we get rid of those.

Algumas são piores e eliminamo-las.

And then some are better.

E depois há algumas melhores.

Those improved ones become our version 1.0s.

Essas melhores tornam-se a versão 1.0.

Those are the enzymes that we want to carry forward,

Essas são as enzimas que podemos desenvolver,

and we can repeat this cycle again and again.

e podemos repetir este ciclo vezes sem conta.

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

É a repetição deste ciclo que nos leva a uma nova enzima,

something that can do what we want.

uma enzima que faça o que queremos.

And after several cycles of this,

E depois de vários destes ciclos, conseguimos algo novo.

we did come up with something new.

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

Então, podem ir hoje a um supermercado e comprar um detergente de roupa

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

que permite lavar com água fria pois contém enzimas como esta aqui.

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

E quero mostrar-vos como isto funciona também.

So I've got two more tubes here,

Tenho aqui mais dois tubos,

and these are both milk again.

e ambos têm novamente leite.

And let me show you,

Vou-vos mostrar,

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

vou adicionar esta enzima a um tubo

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

e outro tubo onde vou adicionar água.

And that's the control,

Este é o tubo de controlo,

so nothing should happen in that tube.

por isso nada deve acontecer nele.

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

Devem achar curioso que eu faça isto com leite.

But the reason that I'm doing this

Mas a razão para eu fazer isto

is because milk is just loaded with proteins,

é porque o leite está cheio de proteínas,

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

e é muito fácil ver esta enzima a funcionar numa solução proteica,

because it's a master protein chopper,

porque é mestre a cortar as proteínas,

that's its job.

é a sua função

So let me get this in here.

Vamos pôr isto aqui.

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

Como referi, é mestre a cortar proteínas

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

e o que podemos fazer é extrapolar o que faz neste leite

to what it would be doing in your laundry.

para o que faria na vossa roupa suja.

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

Por isso, isto é uma forma de visualizar o que iria acontecer.

OK, so those both went in.

OK, ambos entraram.

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

E agora vou fechar este e este também.

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

OK, vamos deixar este aqui com a amostra de quimosina,

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

e voltaremos a estes mais perto do fim.

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

Bom, o que há no horizonte da criação de enzimas?

Certainly, it will get it faster --

Certamente, vai ser mais rápido.

there are now approaches for evolving enzymes

Há agora abordagens para desenvolver enzimas

that allow researchers to go through far more samples

que permitem aos investigadores ter muito mais amostras

than I just showed you.

além do que acabo de vos mostrar.

And in addition to tinkering with natural enzymes,

E além de usarem enzimas naturais,

like we've been talking about,

como estamos a fazer,

some scientists are now trying to design enzymes from scratch,

alguns cientistas tentam agora criar enzimas do zero,

using machine learning, an approach from artificial intelligence,

usando a aprendizagem automática, uma abordagem da inteligência artificial,

to inform their enzyme designs.

para conceber as enzimas.

Still others are adding unnatural amino acids to the mix.

Há outros que estão a adicionar aminoácidos não naturais à mistura.

We talked about the 20 natural amino acids,

Estivemos a falar de 20 aminoácidos naturais,

the common amino acids, before --

os aminoácidos comuns.

they're adding unnatural amino acids

Eles adicionam aminoácidos artificiais

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

para fazerem enzimas com propriedades diferentes do que existe na Natureza.

That's a pretty neat area.

É uma área muito clara.

How will designed enzymes affect you in years to come?

Como é que as enzimas artificiais nos vão afetar nos próximos anos?

Well, I want to focus on two areas:

Bem, vou-me focar em duas áreas:

human health and the environment.

a saúde humana e o ambiente.

Some pharmaceutical companies

Algumas empresas farmacêuticas

now have teams that are dedicated to designing enzymes

têm hoje equipas dedicadas a conceber enzimas

to make drugs more efficiently and with fewer toxic catalysts.

para fazer medicamentos mais eficientes e com menos catalisadores tóxicos.

For example, Januvia,

Por exemplo, o Januvia,

which is a medication to treat type 2 diabetes,

que é um medicamento para tratar a diabetes tipo 2,

is made partially with enzymes.

é parcialmente feito de enzimas.

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

O número de medicamentos feitos com enzimas vai aumentar.

In another area,

Noutra área,

there are certain disorders

há algumas doenças

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

em que uma única enzima não funciona bem no corpo de alguém.

An example of this is called phenylketonuria,

Um exemplo é a fenilcetonúria,

or PKU for short.

ou abreviado PKU.

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

Pessoas com PKU não metabolizam ou digerem bem a fenilalanina,

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

que é um dos 20 aminoácidos comuns de que temos falado.

The consequence of ingesting phenylalanine for people with PKU

A consequência de ingerir fenilalanina para as pessoas com PKU

is that they are subject to permanent intellectual disabilities,

é que sofrem de deficiências intelectuais permanentes,

so it's a scary thing to have.

por isso é algo assustador para se ter.

Now, those of you with kids --

Aqueles que têm filhos...

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

alguém aqui tem filhos?

A lot of you.

Muitos de vocês.

So may be familiar with PKUs,

Podem estar familiarizados com a PKU,

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

porque todas as crianças nos EUA têm de fazer o teste da PKU.

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

Lembro-me de quando o meu filho, fez o teste do pezinho.

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

O grande desafio disto é: o que é que comemos?

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

A fenilalalina está em tantos alimentos que é muito difícil de evitar.

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

O Anthony tem alergia a frutos secos e eu pensava que era difícil,

but PKU's on another level of toughness.

mas o PKU é outro nível de dureza.

However, new enzymes may soon enable PKU patients

Mas as novas enzimas, podem em breve permitir aos doentes 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 concebida para tratar a PKU.

This is big news for patients,

É uma grande notícia para os doentes,

and it's actually very big news

e é mesmo uma grande notícia

for the field of enzyme-replacement therapy more generally,

no campo da terapêutica geral de substituição de enzimas,

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

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

So that was a little bit about health.

Isto um bocadinho acerca da saúde.

Now I'm going to move to the environment.

Agora vamos falar de ambiente.

When I read about the Great Pacific Garbage Patch --

Quando soube da Grande Mancha de Lixo do Pacífico

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

— a propósito, é como uma enorme ilha de plástico,

somewhere between California and Hawaii --

algures entre a Califórnia e o Hawai —

and about microplastics pretty much everywhere,

e sobre microplásticos em quase todo o lado,

it's upsetting.

É preocupante.

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 também nos podem ajudar nesta área.

Recently, bacteria producing plastic-degrading enzymes were discovered.

Descobriram-se bactérias produtoras de enzimas que decompõem os plásticos

Efforts are already underway to design improved versions

Estão a decorrer esforços para criar versões melhoradas destas enzimas.

of these enzymes.

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

Ao mesmo tempo, há enzimas que foram descobertas

and that are being optimized

e que estão a ser otimizadas

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 a capturar gases com efeito estufa,

such as carbon dioxide, methane and nitrous oxide.

tais como o dióxido de carbono, o metano e o óxido de azoto.

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

Não há dúvida que estas são grandes mudanças

and none of them are easy.

e nenhuma é fácil.

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

Conseguir aproveitar as enzimas pode ajudar a resolver isto no futuro,

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

por isso, essa é outra área para termos expectativas.

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

Agora vou voltar à demonstração

this is the fun part.

— esta é a parte divertida.

So we'll start with the chymosin samples.

Vamos começar com as amostras de quimosina.

So let me get these over here.

Vou pôr estas aqui.

And you can see here,

E podem ver aqui,

this is the one that got the water,

este é o que tinha água,

so nothing should happen to this milk.

e não devia acontecer nada ao leite.

This is the one that got the chymosin.

Este levou a quimosina.

So you can see that it totally clarified up here.

Podem ver que clareou totalmente aqui em cima.

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

Existe toda esta parte coalhada, é queijo,

we just made cheese in the last few minutes.

acabamos de fazer queijo em poucos minutos.

So this is that reaction

Esta é a reação,

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

que as pessoas têm feito há milhares e milhares de anos.

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

Penso fazer esta no próximo dia da ciência das crianças

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

mas eles podem ser um público difícil, pelo que veremos.

(Laughter)

(Risos)

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

A outra que quero mostrar é esta.

So this is the enzyme for doing your laundry.

Esta é a enzima para lavar a roupa suja.

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

Podem ver que é diferente daquela em que adicionámos água.

It's kind of clarifying,

Tem uma espécie de clarificador,

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

e é mesmo isso que queremos que a enzima faça à roupa suja,

because you want to be able to have an enzyme

porque queremos conseguir ter uma enzima

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

que possa ser um triturador de proteínas, que as engula,

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

porque vamos ter nódoas de proteínas diferentes nas roupas,

like chocolate milk or grass stains, for example,

como leite com chocolate ou gorduras, por exemplo,

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

e algo como isto vai ajudar a tirar essas nódoas.

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

E vai ser isto que também vai permitir

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

lavar a roupa com água fria, reduzir a pegada de carbono,

and save you some money.

e ainda poupar dinheiro.

Well, we've come a long way,

Bem, fizemos um longo caminho,

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

considerando a viagem de 7000 anos desde as enzimas a fazer queijo

to the present day and enzyme design.

à atual conceção de enzimas.

We're really at a creative crossroads,

Estamos de facto 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 a nossa história com os aminoácidos.

So next time you're outdoors on a muggy night

Então, da próxima vez que estiverem na rua, numa noite abafada

and you see a firefly,

e virem um pirilampo,

I hope you think of enzymes.

espero que pensem nas enzimas.

They're doing amazing things for us today.

Elas fazem coisas extraordinárias por nós hoje.

And by design,

E através da criação,

they could be doing even more amazing things tomorrow.

podem ser ainda mais extraordinárias amanhã.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)