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

Tradutor: Margarida Ferreira Revisora: Isabel M. Vaz Belchior

The second half of the last century was completely defined

A segunda metade do século passado

foi definida por uma revolução tecnológica:

by a technological revolution:

the software revolution.

a revolução do "software".

The ability to program electrons on a material called silicon

A capacidade de programar eletrões num material chamado silício

made possible technologies, companies and industries

viabilizou tecnologias, empresas e indústrias

that were at one point unimaginable to many of us,

que eram inimagináveis para muitos de nós,

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

mas que vieram alterar a forma como o mundo funciona.

The first half of this century, though,

Contudo, a primeira metade deste século

is going to be transformed by a new software revolution:

vai ser transformada por uma nova revolução de "software":

the living software revolution.

a revolução de "software" vivo,

And this will be powered by the ability to program biochemistry

potenciada pela capacidade de programar a bioquímica

on a material called biology.

num material chamado biologia.

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

Quando o fizermos, poderemos aproveitar as propriedades da biologia

to generate new kinds of therapies,

para gerar novos tipos de terapias,

to repair damaged tissue,

para reparar tecidos danificados,

to reprogram faulty cells

para reprogramar células defeituosas

or even build programmable operating systems out of biochemistry.

ou até construir sistemas operativos programáveis a partir da bioquímica.

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

Se conseguirmos fazê-lo — e temos de o conseguir —

its impact will be so enormous

o seu impacto será de tal dimensão

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

que a primeira revolução de "software" será quase irrelevante em comparação,

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

porque o "software" vivo irá transformar toda a medicina,

agriculture and energy,

a agricultura e a energia,

and these are sectors that dwarf those dominated by IT.

e estes são os setores que fazem as áreas dominadas pela TI parecerem pequenas.

Imagine programmable plants that fix nitrogen more effectively

Pensem em plantas programáveis que fixam o azoto de forma mais eficaz

or resist emerging fungal pathogens,

ou resistem a agentes patogénicos fúngicos emergentes

or even programming crops to be perennial rather than annual

ou pensem em programar as colheitas para serem perenes em vez de anuais

so you could double your crop yields each year.

para poderem duplicar a produção anual.

That would transform agriculture

Isso irá transformar a agricultura

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

e a forma como alimentamos a nossa população crescente.

Or imagine programmable immunity,

Pensem em imunidade programável,

designing and harnessing molecular devices that guide your immune system

poder desenhar e aproveitar dispositivos moleculares que guiam o sistema imunitário

to detect, eradicate or even prevent disease.

para detetar, erradicar e até evitar doenças.

Isso irá transformar a medicina

This would transform medicine

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

e a forma como mantemos saudável a crescente população envelhecida.

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

Já temos muitas das ferramentas que tornam possível o "software" vivo,

We can precisely edit genes with CRISPR.

Podemos editar genes com precisão com o CRISPR.

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

Podemos reescrever o código genético uma base de cada vez.

We can even build functioning synthetic circuits out of DNA.

Até podemos criar circuitos sintéticos que funcionam a partir do ADN.

But figuring out how and when to wield these tools

Mas perceber como e quando manejar estas ferramentas

is still a process of trial and error.

ainda é um processo de tentativa e erro.

It needs deep expertise, years of specialization.

É necessário um conhecimento profundo e anos de especialização.

And experimental protocols are difficult to discover

É difícil descobrir protocolos experimentais

and all too often, difficult to reproduce.

e, muito frequentemente, difíceis de reproduzir.

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

Em biologia, temos a tendência de nos focarmos muito nas partes,

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

mas todos sabemos que não é a estudar penas

by only studying feathers.

que aprendemos a voar.

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

Programar biologia ainda não é tão simples como programar um computador

And then to make matters worse,

E, para piorar a situação,

living systems largely bear no resemblance to the engineered systems

os sistemas vivos não se parecem com os sistemas artificiais

that you and I program every day.

que todos nós programamos, todos os dias.

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

Ao contrário dos sistemas artificiais,

os sistemas vivos geram-se e auto-organizam-se, automaticamente,

they self-organize,

they operate at molecular scales.

funcionam à escala molecular.

And these molecular-level interactions

Estas interações, a nível molecular,

lead generally to robust macro-scale output.

produzem, geralmente, resultados à escala macroscópica.

They can even self-repair.

Podem até autorreparar-se.

Consider, for example, the humble household plant,

Pensem, por exemplo, na humilde planta doméstica

like that one sat on your mantelpiece at home

como a da lareira lá de casa,

that you keep forgetting to water.

que nos esquecemos sempre de regar.

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

A planta tem de acordar todos os dias, apesar da nossa negligência,

and figure out how to allocate its resources.

e perceber como distribuir os seus recursos.

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

Vai crescer, fazer fotossíntese, produzir sementes ou flores?

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

Uma decisão que tem de ser feita ao nível de todo o organismo.

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

Mas a planta não tem um cérebro para controlar isso tudo.

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

Tem de fazê-lo com as células das folhas.

They have to respond to the environment

Elas têm de reagir ao meio envolvente

and make the decisions that affect the whole plant.

e tomar decisões que afetam toda a planta.

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

De qualquer forma, tem de existir um programa dentro dessas células,

a program that responds to input signals and cues

um programa que reage aos sinais e informações exteriores

and shapes what that cell will do.

e determinam como a célula vai agir.

And then those programs must operate in a distributed way

Então, esses programas devem operar de forma distribuída

across individual cells,

por cada uma das células,

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

para se poderem coordenar e a planta poder crescer e florir.

If we could understand these biological programs,

Se entendermos estes programas biológicos,

if we could understand biological computation,

se conseguirmos entender a informática biológica

it would transform our ability to understand how and why

transformaremos a forma como entendemos

a forma e a razão por que as células fazem o que fazem.

cells do what they do.

Because, if we understood these programs,

Porque, se entendermos estes programas

we could debug them when things go wrong.

poderemos depurá-los quando uma coisa corre mal.

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

Ou poderemos aprender como conceber os circuitos sintéticos

that truly exploit the computational power of biochemistry.

que exploram o poder informático da bioquímica.

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

A minha paixão por esta área levou-me a uma carreira em investigação

at the interface of maths, computer science and biology.

na interseção da matemática, das ciências computacionais e da biologia.

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

No meu trabalho, concentro-me no conceito de biologia, enquanto informática.

And that means asking what do cells compute,

Isso significa entender como é que as células calculam,

and how can we uncover these biological programs?

e como podemos descobrir estes programas biológicos.

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

Comecei a fazer estas perguntas juntamente com colaboradores brilhantes

at Microsoft Research and the University of Cambridge,

da Microsoft Research e da Universidade de Cambridge.

where together we wanted to understand

Queríamos entender

the biological program running inside a unique type of cell:

o programa biológico de um tipo único de célula:

an embryonic stem cell.

uma célula estaminal embrionária.

These cells are unique because they're totally naïve.

Estas células são únicas porque são totalmente ingénuas.

They can become anything they want:

Podem transformar-se em tudo o que quiserem:

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

um neurónio, uma célula do coração, de um osso, do pulmão,

any adult cell type.

qualquer tipo de célula adulta.

This naïvety, it sets them apart,

Esta simplicidade distingue-as das outras células,

but it also ignited the imagination of the scientific community,

mas também captou a imaginação da comunidade cientifica,

who realized, if we could tap into that potential,

que entendeu que, se pudéssemos utilizar esse potencial,

we would have a powerful tool for medicine.

teríamos uma ferramenta muito poderosa para a medicina.

If we could figure out how these cells make the decision

Se conseguirmos descobrir como estas células decidem

to become one cell type or another,

tornarem-se determinado tipo de célula,

we might be able to harness them

poderemos utilizar essa informação

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

para gerar as células necessárias

para reparar tecidos mortos ou danificados.

But realizing that vision is not without its challenges,

Mas chegar aí tem os seus problemas.

not least because these particular cells,

até porque estas células

they emerge just six days after conception.

só aparecem seis dias depois da conceção

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

e ao fim de um dia desaparecem.

They have set off down the different paths

Ativaram 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 os destinos das células são muito mais plásticos

than we might have imagined.

do que imaginávamos.

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

Há 13 anos cientistas mostraram uma coisa revolucionária.

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

Ao inserir alguns genes numa célula adulta,

like one of your skin cells,

por exemplo, numa célula da pele,

you can transform that cell back to the naïve state.

é possível transformar essa célula devolvendo-lhe o estado ingénuo.

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,

e permite-nos imaginar um tipo de utopia das células tronco,

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

a capacidade de agarrar numa amostra das células do paciente,

transform them back to the naïve state

devolver-lhes o estado simples

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

e utilizar essas células para fazer aquilo de que o paciente precisa,

whether it's brain cells or heart cells.

sejam células cerebrais ou células cardíacas.

But over the last decade or so,

Mas, durante a década passada,

figuring out how to change cell fate,

descobrir como mudar o destino de uma célula

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 de sucesso

they're still inefficient,

eles ainda não são eficazes

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

e falta-nos a compreensão fundamental de como funcionam e porquê.

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

Se descobrirmos como transformar uma célula tronco numa célula cardíaca,

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

isso não nos diz como transformar uma célula tronco numa célula cerebral.

into a brain cell.

So we wanted to understand the biological program

Então, nós queríamos perceber o programa biológico

running inside an embryonic stem cell,

que funciona no interior de uma célula tronco embrionária

and understanding the computation performed by a living system

e entender o processamento realizado por um sistema vivo,

starts with asking a devastatingly simple question:

começando com uma pergunta extremamente simples:

What is it that system actually has to do?

O que é que este sistema tem de fazer?

Now, computer science actually has a set of strategies

A informática, atualmente, tem uma série 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" têm de fazer.

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

Quando escrevemos um programa ou codificamos um "software",

you want that software to run correctly.

queremos que o "software" funcione corretamente.

You want performance, functionality.

Queremos desempenho, funcionalidade.

You want to prevent bugs.

Queremos evitar defeitos que podem custar caro.

They can cost you a lot.

So when a developer writes a program,

Por isso, quando se escreve um programa,

they could write down a set of specifications.

é preciso escrever um conjunto de especificações.

These are what your program should do.

É o que o nosso programa deve fazer.

Maybe it should compare the size of two numbers

Talvez possa comparar o tamanho de dois números

or order numbers by increasing size.

ou ordenar números por ordem crescente.

Technology exists that allows us automatically to check

Há tecnologias que nos permitem verificar automaticamente

whether our specifications are satisfied,

se as nossas especificações estão a ser obedecidas,

whether that program does what it should do.

se esse programa está a fazer aquilo que deve fazer.

And so our idea was that in the same way,

Portanto, a nossa ideia era no mesmo sentido,

experimental observations, things we measure in the lab,

observações experimentais, coisas que possamos medir no laboratório,

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

que correspondam às especificações do que o programa biológico deve fazer.

So we just needed to figure out a way

Só precisávamos de imaginar uma forma

to encode this new type of specification.

de codificar este novo tipo de especificações.

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

Digamos que temos trabalhado no laboratório a medir os genes

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

e descobrimos que, se o gene A está ativo,

then Gene B or Gene C seems to be active.

o gene B ou o gene 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.

Ora bem, este é um exemplo muito simples.

It's just to illustrate the point.

É só para ilustrar o ponto de vista.

We can encode truly rich expressions

Podemos codificar expressões complexas

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

que captam o comportamento de múltiplos genes ou proteínas,

ao longo do tempo,

across multiple different experiments.

através de múltiplas experiências diferentes.

And so by translating our observations

Ao traduzirmos as nossas observações

into mathematical expression in this way,

em expressões matemáticas,

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

torna-se possível testar se estas observações aparecem ou não,

from a program of genetic interactions.

a partir de um programa de interações genéticas.

And we developed a tool to do just this.

Desenvolvemos uma ferramenta para fazer isto.

We were able to use this tool to encode observations

Conseguimos usar esta ferramenta para codificar observações

as mathematical expressions,

sob a forma de expressões matemáticas

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

e depois, essa ferramenta ajudar-nos-á a descodificar o programa genético

that could explain them all.

que pode explicar tudo isso.

And we then apply this approach

Depois, aplicamos esta abordagem

to uncover the genetic program running inside embryonic stem cells

para descobrir o programa genético no interior das células tronco

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

para ver se podemos compreender como induzir esse estado simples.

And this tool was actually built

Essa ferramenta já foi construída

on a solver that's deployed routinely around the world

num solucionador distribuído por todo o mundo

for conventional software verification.

para verificação de "software" convencional.

So we started with a set of nearly 50 different specifications

Começámos com um conjunto de quase 50 especificações diferentes

that we generated from experimental observations of embryonic stem cells.

que gerámos a partir de observações experimentais de células tronco.

And by encoding these observations in this tool,

Ao codificar essas observações nesta ferramenta,

we were able to uncover the first molecular program

conseguimos descobrir o primeiro programa molecular

that could explain all of them.

que pode explicar tudo isso.

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

Isto é uma façanha, só por si, não acham?

Being able to reconcile all of these different observations

Conseguir reconciliar 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 possamos fazer no verso de um envelope,

even if you have a really big envelope.

mesmo que esse envelope seja muito grande.

Because we've got this kind of understanding,

Como obtivemos este tipo de compreensão,

we could go one step further.

conseguimos dar mais um passo em frente.

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

Pudemos usar este programa para prever o que esta célula pode fazer

in conditions we hadn't yet tested.

em condições em que não a tínhamos testado.

We could probe the program in silico.

Conseguimos realizar uma experiência virtual.

And so we did just that:

Fizemos isso:

we generated predictions that we tested in the lab,

Gerámos previsões que testámos no laboratório,

and we found that this program was highly predictive.

e descobrimos que este programa era extremamente preditivo.

It told us how we could accelerate progress

Disse-nos como podíamos acelerar o progresso

back to the naïve state quickly and efficiently.

até ao estado ingénuo, de forma rápida e eficaz.

It told us which genes to target to do that,

Disse-nos quais os genes a visar para fazer isso,

which genes might even hinder that process.

quais os genes que podiam impedir esse processo.

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

O programa até conseguiu prever a ordem por que os genes deviam ser ativados.

So this approach really allowed us to uncover the dynamics

Esta abordagem permitiu-nos descobrir a dinâmica

of what the cells are doing.

do que as células estão a fazer.

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

Desenvolvemos um método que não é específico para as células tronco.

Rather, it allows us to make sense of the computation

Pelo contrário, permite-nos perceber os cálculos

being carried out by the cell

que a célula realiza,

in the context of genetic interactions.

no contexto das interações genéticas.

So really, it's just one building block.

É de facto um bloco de construção.

The field urgently needs to develop new approaches

Precisamos urgentemente de desenvolver novas abordagens

to understand biological computation more broadly

para perceber a informática biológica mais amplamente

and at different levels,

e a diferentes níveis,

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

do ADN ao fluxo de informações entre as células.

Only this kind of transformative understanding

Só este tipo de compreensão transformativa

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

nos permitirá dominar a biologia de formas previsíveis e fiáveis.

But to program biology, we will also need to develop

Mas, para programar biologia também é necessário desenvolver

the kinds of tools and languages

o tipo de ferramentas e de linguagens

that allow both experimentalists and computational scientists

que permita que os cientistas investigadores e informáticos

to design biological function

concebam a função biológica

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

e compilem essas conceções na máquina codificadora da célula,

its biochemistry,

a sua bioquímica,

so that we could then build those structures.

para podermos criar essas estruturas.

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

É uma coisa semelhante a um compilador de "software" vivo

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

e tenho orgulho em fazer parte duma equipa na Microsoft

that's working to develop one.

que está a trabalhar para desenvolver uma.

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,

se for realizado,

it would be the final bridge between software and wetware.

será a ponte final entre "software" e "wetware".

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

Mais amplamente, a programação da biologia só vai ser possível

if we can transform the field into being truly interdisciplinary.

se conseguirmos transformar esta área numa coisa interdisciplinar.

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

É preciso criar a ponte entre as ciências físicas e as da vida.

and scientists from each of these disciplines

e cientistas de cada uma destas disciplinas

need to be able to work together with common languages

precisam de poder trabalhar juntos com uma linguagem comum

and to have shared scientific questions.

e ter as mesmas perguntas científicas.

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

A longo prazo, vale a pena recordar que as grandes empresas de "software"

and the technology that you and I work with every day

e a tecnologia com que todos nós trabalhamos todos os dias

could hardly have been imagined

dificilmente teria sido imaginada

at the time we first started programming on silicon microchips.

na época em que começámos a programar nos "microchips" de silício.

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

Se começarmos hoje a pensar no potencial da tecnologia

enabled by computational biology,

capacitada pela biologia computacional,

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

veremos alguns desses passos que precisamos de dar

to make that a reality.

para tornar isso numa realidade.

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

Há um pensamento sóbrio

de que este tipo de tecnologia pode estar aberto a um mau uso.

could be open to misuse.

If we're willing to talk about the potential

Se quisermos falar do potencial

for programming immune cells,

da programação das células imunitárias,

we should also be thinking about the potential of bacteria

também devemos pensar no potencial das bactérias

engineered to evade them.

trabalhada para impedir isso.

There might be people willing to do that.

Pode haver pessoas dispostas a fazer isso.

Now, one reassuring thought in this

Um pensamento tranquilizador

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

é que — um pouco menos para os cientistas —

is that biology is a fragile thing to work with.

é que a biologia é uma coisa frágil com que podemos trabalhar.

So programming biology is not going to be something

Por isso, programar a biologia não vai ser uma coisa

you'll be doing in your garden shed.

que se possa fazer no barracão do jardim.

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 de olhos bem abertos.

We can ask the difficult questions up front,

Podemos fazer as perguntas difíceis

we can put in place the necessary safeguards

podemos implementar as necessárias salvaguardas

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

e, dentro desse âmbito, temos de pensar na ética.

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

Temos de pensar em colocar limites

of biological function.

na implementação da função biológica.

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

A investigação na bioética terá de ser uma prioridade.

It can't be relegated to second place

Não pode ser relegada para segundo plano

in the excitement of scientific innovation.

na excitação da inovação científica.

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

Mas o prémio supremo, o destino supremo deste percurso,

would be breakthrough applications and breakthrough industries

serão as aplicações revolucionárias e as indústrias revolucionárias

in areas from agriculture and medicine to energy and materials

em áreas da agricultura à medicina, à energia e aos materiais

and even computing itself.

e até à própria informática.

Imagine, one day we could be powering the planet sustainably

Imaginem, um dia podemos estar a alimentar a sustentabilidade do planeta

on the ultimate green energy

em relação à energia verde

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

se pudermos reproduzir uma coisa que as plantas descobriram há milénios:

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

como aproveitar a energia do Sol com uma eficácia sem paralelo

by our current solar cells.

pelas nossas células solares.

If we understood that program of quantum interactions

Se compreendermos esse programa de interações "quantum"

that allow plants to absorb sunlight so efficiently,

que permitem que as plantas absorvam a luz solar de modo tão eficaz,

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

conseguiremos traduzir isso em circuitos de ADN sintético

that offer the material for better solar cells.

que oferecem o material para as melhores células solares.

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

Há equipas e cientistas a trabalhar nas bases disto, neste momento,

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

portanto, se dermos a atenção adequada e o investimento adequado,

it could be realized in 10 or 15 years.

talvez isso possa acontecer dentro de 10 a 15 anos.

So we are at the beginning of a technological revolution.

Estamos no início duma revolução tecnológica.

Understanding this ancient type of biological computation

Compreender este antigo tipo de informática biológica

is the critical first step.

é o primeiro passo fundamental.

And if we can realize this,

Se conseguirmos percebê-lo,

we would enter in the era of an operating system

entraremos na era de um sistema operativo

that runs living software.

que opera um "software" vivo.

Thank you very much.

Muito obrigada.

(Applause)

(Aplausos)