5 challenges we could solve by designing new proteins | David Baker

Tradutor: Ana Zenha Revisora: Margarida Ferreira

I'm going to tell you about the most amazing machines in the world

Vou falar-vos das máquinas mais incríveis do mundo

and what we can now do with them.

e do que podemos fazer com elas.

Proteins,

As proteínas,

some of which you see inside a cell here,

algumas das quais vêem aqui no interior de uma célula,

carry out essentially all the important functions in our bodies.

desempenham praticamente todas as funções importantes

do nosso corpo.

Proteins digest your food,

As proteínas digerem a nossa comida,

contract your muscles,

contraem os nossos músculos,

fire your neurons

estimulam os nossos neurónios,

and power your immune system.

e dão energia ao nosso sistema imunitário.

Everything that happens in biology --

Tudo o que acontece na biologia

almost --

- ou quase tudo -

happens because of proteins.

acontece devido às proteínas.

Proteins are linear chains of building blocks called amino acids.

As proteínas são cadeias lineares de blocos de construção

chamados aminoácidos.

Nature uses an alphabet of 20 amino acids,

A natureza usa um alfabeto de 20 aminoácidos,

some of which have names you may have heard of.

alguns com nomes que podem já ter ouvido.

In this picture, for scale, each bump is an atom.

Nesta foto, e para que todos percebam, cada protuberância é um átomo.

Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules

As forças químicas entre os aminoácidos fazem com que essas moléculas

longas e filamentosas

to fold up into unique, three-dimensional structures.

se dobrem em estruturas tridimensionais únicas.

The folding process,

O processo de enovelamento, embora pareça aleatório,

while it looks random,

is in fact very precise.

é, na realidade, muito preciso.

Each protein folds to its characteristic shape each time,

Cada proteína dobra-se sempre no seu formato característico,

and the folding process takes just a fraction of a second.

e o processo de enovelamento demora apenas uma fração de segundo.

And it's the shapes of proteins

São as formas das proteínas

which enable them to carry out their remarkable biological functions.

que lhes permitem realizar as suas notáveis funções biológicas.

For example,

Por exemplo,

hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited

a hemoglobina tem uma forma nos pulmões

que é perfeitamente adequada para prender uma molécula de oxigénio.

for binding a molecule of oxygen.

When hemoglobin moves to your muscle,

Quando a hemoglobina se desloca para o músculo,

the shape changes slightly

a forma muda ligeiramente,

and the oxygen comes out.

e o oxigénio sai.

The shapes of proteins,

As formas das proteínas

and hence their remarkable functions,

e, portanto, as suas funções notáveis,

are completely specified by the sequence of amino acids in the protein chain.

são completamente especificadas pela sequência de aminoácidos

na cadeia proteica.

In this picture, each letter on top is an amino acid.

Nesta foto, cada letra no topo é um aminoácido.

Where do these sequences come from?

De onde vêm essas sequências?

The genes in your genome specify the amino acid sequences

Os genes do nosso genoma especificam as sequências de aminoácidos

of your proteins.

das nossas proteínas.

Each gene encodes the amino acid sequence of a single protein.

Cada gene codifica a sequência de aminoácidos de uma única proteína.

The translation between these amino acid sequences

A interpretação entre essas sequências de aminoácidos

and the structures and functions of proteins

e as estruturas e funções das proteínas

is known as the protein folding problem.

é conhecida como o problema do enovelamento de proteínas.

It's a very hard problem

É um problema muito difícil

because there's so many different shapes a protein can adopt.

porque há muitas formas diferentes que uma proteína pode adoptar.

Because of this complexity,

Devido a essa complexidade,

humans have only been able to harness the power of proteins

os seres humanos só conseguiram dominar o poder das proteínas

by making very small changes to the amino acid sequences

fazendo pequenas alterações

nas sequências de aminoácidos das proteínas encontradas na natureza.

of the proteins we've found in nature.

This is similar to the process that our Stone Age ancestors used

Isto é semelhante ao processo

usado pelos nossos antepassados da Idade da Pedra

to make tools and other implements from the sticks and stones

para fabricar ferramentas e outros utensílios

a partir de paus e pedras encontrados no mundo ao nosso redor.

that we found in the world around us.

But humans did not learn to fly by modifying birds.

Mas os humanos não aprenderam a voar modificando aves.

(Laughter)

(Risos)

Instead, scientists, inspired by birds, uncovered the principles of aerodynamics.

Ao invés, inspirados pelas aves,

os cientistas desvendaram os princípios da aerodinâmica,

Engineers then used those principles to design custom flying machines.

e os engenheiros usaram esses princípios

para projectar máquinas voadoras modificadas.

In a similar way,

De forma semelhante,

we've been working for a number of years

temos trabalhado ao longo de vários anos

to uncover the fundamental principles of protein folding

para desvendar os princípios fundamentais do enovelamento de proteínas

and encoding those principles in the computer program called Rosetta.

e codificar esses princípios num programa de computador chamado Rosetta.

We made a breakthrough in recent years.

Fizemos um grande avanço nos últimos anos.

We can now design completely new proteins from scratch on the computer.

Podemos agora criar proteínas totalmente novas,

de raíz, no computador.

Once we've designed the new protein,

Uma vez criada a nova proteína,

we encode its amino acid sequence in a synthetic gene.

codificamos a sequência de aminoácidos num gene sintético.

We have to make a synthetic gene

Temos de fazer um gene sintético

because since the protein is completely new,

porque, uma vez que a proteína é completamente nova,

there's no gene in any organism on earth which currently exists that encodes it.

não há nenhum gene em qualquer organismo que exista hoje em dia na Terra

que a codifique.

Our advances in understanding protein folding

Os nossos avanços na compreensão do enovelamento de proteínas

and how to design proteins,

e em como criar proteínas,

coupled with the decreasing cost of gene synthesis

juntamente com o custo decrescente da síntese de genes

and the Moore's law increase in computing power,

e o aumento da lei de Moore no poder computacional,

now enable us to design tens of thousands of new proteins,

permitem-nos agora criar dezenas de milhares de proteínas novas,

with new shapes and new functions,

com formas e funções novas,

on the computer,

no computador,

and encode each one of those in a synthetic gene.

e codificar cada uma delas num gene sintético.

Once we have those synthetic genes,

Quando tivermos esses genes sintéticos,

we put them into bacteria

colocamo-los em bactérias para programá-los

to program them to make these brand-new proteins.

para criar essas proteínas novas.

We then extract the proteins

Em seguida, extraímos as proteínas

and determine whether they function as we designed them to

e determinamos se elas funcionam como planeamos

and whether they're safe.

e se são seguras.

It's exciting to be able to make new proteins,

É entusiasmante conseguir criar proteínas novas,

because despite the diversity in nature,

porque, apesar da diversidade na natureza,

evolution has only sampled a tiny fraction of the total number of proteins possible.

a evolução só testou uma pequena fracção do número total de proteínas possíveis.

I told you that nature uses an alphabet of 20 amino acids,

Eu disse-vos que a natureza usa um alfabeto de 20 aminoácidos,

and a typical protein is a chain of about 100 amino acids,

e uma proteína típica é uma cadeia de cerca de 100 aminoácidos.

so the total number of possibilities is 20 times 20 times 20, 100 times,

Assim, o número total de possibilidades é 20 vezes 20 vezes 20, 100 vezes,

which is a number on the order of 10 to the 130th power,

o que é um número na ordem de 10 elevado a 130,

which is enormously more than the total number of proteins

que é consideravelmente maior do que o número total de proteínas

which have existed since life on earth began.

que existem desde que começou a vida na Terra.

And it's this unimaginably large space

É esse espaço inimaginavelmente grande que agora conseguimos explorar

we can now explore using computational protein design.

usando a criação computacional da proteína.

Now the proteins that exist on earth

As proteínas existentes na Terra

evolved to solve the problems faced by natural evolution.

evoluíram para solucionar os problemas que a evolução natural enfrentava

For example, replicating the genome.

como por exemplo, a replicação do genoma.

But we face new challenges today.

Porém, hoje enfrentamos desafios novos.

We live longer, so new diseases are important.

Vivemos mais tempo, por isso, as novas doenças são importantes.

We're heating up and polluting the planet,

Estamos a aquecer e a poluir o planeta,

so we face a whole host of ecological challenges.

por isso, enfrentamos inúmeros desafios ecológicos.

If we had a million years to wait,

Se tivéssemos um milhão de anos para esperar,

new proteins might evolve to solve those challenges.

poderiam evoluir proteínas novas para solucionar estes desafios.

But we don't have millions of years to wait.

No entanto, não temos milhões de anos para esperar.

Instead, with computational protein design,

Em vez disso, com a criação computacional da proteína,

we can design new proteins to address these challenges today.

podemos criar proteínas novas para enfrentar esses desafios hoje.

Our audacious idea is to bring biology out of the Stone Age

A nossa ideia audaciosa é ir buscar a biologia da Idade da Pedra

through technological revolution in protein design.

através da revolução tecnológica na criação de proteínas.

We've already shown that we can design new proteins

Já mostrámos que podemos criar proteínas novas,

with new shapes and functions.

com formas e funções novas.

For example, vaccines work by stimulating your immune system

Por exemplo, as vacinas funcionam estimulando o sistema imunitário

to make a strong response against a pathogen.

para criar uma reacção forte contra um patógeno.

To make better vaccines,

Para fazer vacinas melhores,

we've designed protein particles

criámos partículas de proteína

to which we can fuse proteins from pathogens,

nas quais podemos fundir proteínas a partir de patógenos,

like this blue protein here, from the respiratory virus RSV.

como esta proteína azul, do vírus respiratório VSR.

To make vaccine candidates

Para fazer vacinas candidatas

that are literally bristling with the viral protein,

que estejam literalmente cheias de proteína viral,

we find that such vaccine candidates

descobrimos que tais candidatas

produce a much stronger immune response to the virus

produzem uma reacção imunológica muito mais forte ao vírus

than any previous vaccines that have been tested.

do que quaisquer vacinas anteriores que tenham sido testadas.

This is important because RSV is currently one of the leading causes

Isso é importante porque o VSR é actualmente uma das principais causas

of infant mortality worldwide.

de mortalidade infantil em todo o mundo.

We've also designed new proteins to break down gluten in your stomach

Também criámos novas proteínas para decompor o glúten no estômago,

for celiac disease

para a doença celíaca,

and other proteins to stimulate your immune system to fight cancer.

e outras proteínas para estimular o sistema imunitário

para combater o cancro.

These advances are the beginning of the protein design revolution.

Estes avanços são o começo da revolução da criação de proteínas.

We've been inspired by a previous technological revolution:

Nós fomos inspirados por uma revolução tecnológica anterior:

the digital revolution,

a revolução digital,

which took place in large part due to advances in one place,

que ocorreu, em grande parte, devido aos avanços obtidos num local:

Bell Laboratories.

o Bell Laboratories.

Bell Labs was a place with an open, collaborative environment,

O Bell Labs era um lugar com um ambiente aberto e colaborativo

and was able to attract top talent from around the world.

e conseguiu atrair os melhores talentos de todo o mundo.

And this led to a remarkable string of innovations --

Isso levou a uma série extraordinária de inovações:

the transistor, the laser, satellite communication

o transístor, o laser, a comunicação via satélite

and the foundations of the internet.

e os alicerces da Internet.

Our goal is to build the Bell Laboratories of protein design.

O nosso objectivo é construir o Bell Labs da criação de proteínas.

We are seeking to attract talented scientists from around the world

Estamos a querer atrair cientistas talentosos de todo o mundo

to accelerate the protein design revolution,

para acelerar a revolução da criação de proteínas

and we'll be focusing on five grand challenges.

e vamos concentrar-nos em cinco grandes desafios.

First, by taking proteins from flu strains from around the world

Primeiro: colhendo proteínas de tipos de gripe de todo o mundo

and putting them on top of the designed protein particles

e colocando-as sobre as partículas de proteína criadas

I showed you earlier,

que vos mostrei anteriormente,

we aim to make a universal flu vaccine,

visamos criar uma vacina universal contra a gripe,

one shot of which gives a lifetime of protection against the flu.

cuja dose dê uma protecção vitalícia contra a gripe.

The ability to design --

A capacidade de criar...

(Applause)

(Aplausos)

The ability to design new vaccines on the computer

Criar vacinas novas no computador

is important both to protect against natural flu epidemics

é importante tanto para proteger contra as epidemias naturais da gripe

and, in addition, intentional acts of bioterrorism.

quanto, além disso, contra actos intencionais de bioterrorismo.

Second, we're going far beyond nature's limited alphabet

Segundo: estamos a ir muito além do alfabeto limitado da natureza

of just 20 amino acids

de apenas 20 aminoácidos

to design new therapeutic candidates for conditions such as chronic pain,

para criar novos candidatos terapêuticos para enfermidades como a dor crónica,

using an alphabet of thousands of amino acids.

usando um alfabeto de milhares de aminoácidos.

Third, we're building advanced delivery vehicles

Terceiro: estamos a construir veículos de entrega avançados

to target existing medications exactly where they need to go in the body.

para guiar a medicação existente

exactamente para o ponto do corpo para onde precisa de ir.

For example, chemotherapy to a tumor

Por exemplo, quimioterapia para um tumor,

or gene therapies to the tissue where gene repair needs to take place.

ou terapias genéticas para o tecido onde é necessária a reparação genética.

Fourth, we're designing smart therapeutics that can do calculations within the body

Quarto: estamos a criar terapêuticas inteligentes

que podem fazer cálculos dentro do corpo

and go far beyond current medicines,

e ir muito além dos medicamentos actuais,

which are really blunt instruments.

que são instrumentos pouco precisos.

For example, to target a small subset of immune cells

Por exemplo, para direccionar um pequeno subconjunto de células imunes

responsible for an autoimmune disorder,

responsáveis ​​por uma doença auto-imune

and distinguish them from the vast majority of healthy immune cells.

e distingui-las da grande maioria das células imunes saudáveis.

Finally, inspired by remarkable biological materials

Finalmente, inspirados por materiais biológicos extraordinários

such as silk, abalone shell, tooth and others,

como a seda, a concha de abalone, o dente e outros,

we're designing new protein-based materials

estamos a criar novos materiais à base de proteínas

to address challenges in energy and ecological issues.

para enfrentar desafios energéticos e ecológicos.

To do all this, we're growing our institute.

Para fazer tudo isso, estamos a fazer crescer o nosso instituto.

We seek to attract energetic, talented and diverse scientists

Procuramos atrair cientistas enérgicos, talentosos e variados

from around the world, at all career stages,

de todo o mundo, em todas as fases da carreira,

to join us.

para se juntarem a nós.

You can also participate in the protein design revolution

Vocês também podem participar na revolução da criação de proteínas

through our online folding and design game, "Foldit."

através do nosso jogo de enovelamento e criação online: "Foldit".

And through our distributed computing project, Rosetta@home,

E através do nosso projecto de computação distribuída: Rosetta@home,

which you can join from your laptop or your Android smartphone.

ao qual vocês podem aceder a partir do vosso computador portátil

ou de um "smartphone" Android.

Making the world a better place through protein design is my life's work.

Tornar o mundo um lugar melhor através da criação de proteínas

é o trabalho da minha vida.

I'm so excited about what we can do together.

Estou muito animado com o que podemos fazer juntos.

I hope you'll join us,

Espero que vocês se juntem a nós,

and thank you.

e muito obrigado.

(Applause and cheers)

(Aplausos)