I'm going to tell you about the most amazing machines in the world and what we can now do with them. Proteins, some of which you see inside a cell here, carry out essentially all the important functions in our bodies. Proteins digest your food, contract your muscles, fire your neurons and power your immune system. Everything that happens in biology -- almost -- happens because of proteins.
Vou falar-vos das máquinas mais incríveis do mundo e do que podemos fazer com elas. As proteínas, algumas das quais vêem aqui no interior de uma célula, desempenham praticamente todas as funções importantes do nosso corpo. As proteínas digerem a nossa comida, contraem os nossos músculos, estimulam os nossos neurónios, e dão energia ao nosso sistema imunitário. Tudo o que acontece na biologia - ou quase tudo - acontece devido às proteínas.
Proteins are linear chains of building blocks called amino acids. Nature uses an alphabet of 20 amino acids, some of which have names you may have heard of. In this picture, for scale, each bump is an atom. Chemical forces between the amino acids cause these long stringy molecules to fold up into unique, three-dimensional structures. The folding process, while it looks random, is in fact very precise. Each protein folds to its characteristic shape each time, and the folding process takes just a fraction of a second. And it's the shapes of proteins which enable them to carry out their remarkable biological functions. For example, hemoglobin has a shape in the lungs perfectly suited for binding a molecule of oxygen. When hemoglobin moves to your muscle, the shape changes slightly and the oxygen comes out.
As proteínas são cadeias lineares de blocos de construção chamados aminoácidos. A natureza usa um alfabeto de 20 aminoácidos, alguns com nomes que podem já ter ouvido. Nesta foto, e para que todos percebam, cada protuberância é um átomo. As forças químicas entre os aminoácidos fazem com que essas moléculas longas e filamentosas se dobrem em estruturas tridimensionais únicas. O processo de enovelamento, embora pareça aleatório, é, na realidade, muito preciso. Cada proteína dobra-se sempre no seu formato característico, e o processo de enovelamento demora apenas uma fração de segundo. São as formas das proteínas que lhes permitem realizar as suas notáveis funções biológicas. Por exemplo, a hemoglobina tem uma forma nos pulmões que é perfeitamente adequada para prender uma molécula de oxigénio. Quando a hemoglobina se desloca para o músculo, a forma muda ligeiramente, e o oxigénio sai.
The shapes of proteins, and hence their remarkable functions, are completely specified by the sequence of amino acids in the protein chain. In this picture, each letter on top is an amino acid. Where do these sequences come from? The genes in your genome specify the amino acid sequences of your proteins. Each gene encodes the amino acid sequence of a single protein. The translation between these amino acid sequences and the structures and functions of proteins is known as the protein folding problem. It's a very hard problem because there's so many different shapes a protein can adopt. Because of this complexity, humans have only been able to harness the power of proteins by making very small changes to the amino acid sequences of the proteins we've found in nature.
As formas das proteínas e, portanto, as suas funções notáveis, são completamente especificadas pela sequência de aminoácidos na cadeia proteica. Nesta foto, cada letra no topo é um aminoácido. De onde vêm essas sequências? Os genes do nosso genoma especificam as sequências de aminoácidos das nossas proteínas. Cada gene codifica a sequência de aminoácidos de uma única proteína. A interpretação entre essas sequências de aminoácidos e as estruturas e funções das proteínas é conhecida como o problema do enovelamento de proteínas. É um problema muito difícil porque há muitas formas diferentes que uma proteína pode adoptar. Devido a essa complexidade, os seres humanos só conseguiram dominar o poder das proteínas fazendo pequenas alterações nas sequências de aminoácidos das proteínas encontradas na natureza.
This is similar to the process that our Stone Age ancestors used to make tools and other implements from the sticks and stones that we found in the world around us. But humans did not learn to fly by modifying birds.
Isto é semelhante ao processo usado pelos nossos antepassados da Idade da Pedra para fabricar ferramentas e outros utensílios a partir de paus e pedras encontrados no mundo ao nosso redor. Mas os humanos não aprenderam a voar modificando aves.
(Laughter)
(Risos)
Instead, scientists, inspired by birds, uncovered the principles of aerodynamics. Engineers then used those principles to design custom flying machines. In a similar way, we've been working for a number of years to uncover the fundamental principles of protein folding and encoding those principles in the computer program called Rosetta. We made a breakthrough in recent years. We can now design completely new proteins from scratch on the computer. Once we've designed the new protein, we encode its amino acid sequence in a synthetic gene. We have to make a synthetic gene because since the protein is completely new, there's no gene in any organism on earth which currently exists that encodes it.
Ao invés, inspirados pelas aves, os cientistas desvendaram os princípios da aerodinâmica, e os engenheiros usaram esses princípios para projectar máquinas voadoras modificadas. De forma semelhante, temos trabalhado ao longo de vários anos para desvendar os princípios fundamentais do enovelamento de proteínas e codificar esses princípios num programa de computador chamado Rosetta. Fizemos um grande avanço nos últimos anos. Podemos agora criar proteínas totalmente novas, de raíz, no computador. Uma vez criada a nova proteína, codificamos a sequência de aminoácidos num gene sintético. Temos de fazer um gene sintético porque, uma vez que a proteína é completamente nova, não há nenhum gene em qualquer organismo que exista hoje em dia na Terra que a codifique.
Our advances in understanding protein folding and how to design proteins, coupled with the decreasing cost of gene synthesis and the Moore's law increase in computing power, now enable us to design tens of thousands of new proteins, with new shapes and new functions, on the computer, and encode each one of those in a synthetic gene. Once we have those synthetic genes, we put them into bacteria to program them to make these brand-new proteins. We then extract the proteins and determine whether they function as we designed them to and whether they're safe.
Os nossos avanços na compreensão do enovelamento de proteínas e em como criar proteínas, juntamente com o custo decrescente da síntese de genes e o aumento da lei de Moore no poder computacional, permitem-nos agora criar dezenas de milhares de proteínas novas, com formas e funções novas, no computador, e codificar cada uma delas num gene sintético. Quando tivermos esses genes sintéticos, colocamo-los em bactérias para programá-los para criar essas proteínas novas. Em seguida, extraímos as proteínas e determinamos se elas funcionam como planeamos e se são seguras.
It's exciting to be able to make new proteins, because despite the diversity in nature, evolution has only sampled a tiny fraction of the total number of proteins possible. I told you that nature uses an alphabet of 20 amino acids, and a typical protein is a chain of about 100 amino acids, so the total number of possibilities is 20 times 20 times 20, 100 times, which is a number on the order of 10 to the 130th power, which is enormously more than the total number of proteins which have existed since life on earth began. And it's this unimaginably large space we can now explore using computational protein design.
É entusiasmante conseguir criar proteínas novas, porque, apesar da diversidade na natureza, a evolução só testou uma pequena fracção do número total de proteínas possíveis. Eu disse-vos que a natureza usa um alfabeto de 20 aminoácidos, e uma proteína típica é uma cadeia de cerca de 100 aminoácidos. Assim, o número total de possibilidades é 20 vezes 20 vezes 20, 100 vezes, o que é um número na ordem de 10 elevado a 130, que é consideravelmente maior do que o número total de proteínas que existem desde que começou a vida na Terra. É esse espaço inimaginavelmente grande que agora conseguimos explorar usando a criação computacional da proteína.
Now the proteins that exist on earth evolved to solve the problems faced by natural evolution. For example, replicating the genome. But we face new challenges today. We live longer, so new diseases are important. We're heating up and polluting the planet, so we face a whole host of ecological challenges. If we had a million years to wait, new proteins might evolve to solve those challenges. But we don't have millions of years to wait. Instead, with computational protein design, we can design new proteins to address these challenges today.
As proteínas existentes na Terra evoluíram para solucionar os problemas que a evolução natural enfrentava como por exemplo, a replicação do genoma. Porém, hoje enfrentamos desafios novos. Vivemos mais tempo, por isso, as novas doenças são importantes. Estamos a aquecer e a poluir o planeta, por isso, enfrentamos inúmeros desafios ecológicos. Se tivéssemos um milhão de anos para esperar, poderiam evoluir proteínas novas para solucionar estes desafios. No entanto, não temos milhões de anos para esperar. Em vez disso, com a criação computacional da proteína, podemos criar proteínas novas para enfrentar esses desafios hoje.
Our audacious idea is to bring biology out of the Stone Age through technological revolution in protein design. We've already shown that we can design new proteins with new shapes and functions. For example, vaccines work by stimulating your immune system to make a strong response against a pathogen. To make better vaccines, we've designed protein particles to which we can fuse proteins from pathogens, like this blue protein here, from the respiratory virus RSV. To make vaccine candidates that are literally bristling with the viral protein, we find that such vaccine candidates produce a much stronger immune response to the virus than any previous vaccines that have been tested. This is important because RSV is currently one of the leading causes of infant mortality worldwide. We've also designed new proteins to break down gluten in your stomach for celiac disease and other proteins to stimulate your immune system to fight cancer. These advances are the beginning of the protein design revolution.
A nossa ideia audaciosa é ir buscar a biologia da Idade da Pedra através da revolução tecnológica na criação de proteínas. Já mostrámos que podemos criar proteínas novas, com formas e funções novas. Por exemplo, as vacinas funcionam estimulando o sistema imunitário para criar uma reacção forte contra um patógeno. Para fazer vacinas melhores, criámos partículas de proteína nas quais podemos fundir proteínas a partir de patógenos, como esta proteína azul, do vírus respiratório VSR. Para fazer vacinas candidatas que estejam literalmente cheias de proteína viral, descobrimos que tais candidatas produzem uma reacção imunológica muito mais forte ao vírus do que quaisquer vacinas anteriores que tenham sido testadas. Isso é importante porque o VSR é actualmente uma das principais causas de mortalidade infantil em todo o mundo. Também criámos novas proteínas para decompor o glúten no estômago, para a doença celíaca, e outras proteínas para estimular o sistema imunitário para combater o cancro. Estes avanços são o começo da revolução da criação de proteínas.
We've been inspired by a previous technological revolution: the digital revolution, which took place in large part due to advances in one place, Bell Laboratories. Bell Labs was a place with an open, collaborative environment, and was able to attract top talent from around the world. And this led to a remarkable string of innovations -- the transistor, the laser, satellite communication and the foundations of the internet. Our goal is to build the Bell Laboratories of protein design. We are seeking to attract talented scientists from around the world to accelerate the protein design revolution, and we'll be focusing on five grand challenges.
Nós fomos inspirados por uma revolução tecnológica anterior: a revolução digital, que ocorreu, em grande parte, devido aos avanços obtidos num local: o Bell Laboratories. O Bell Labs era um lugar com um ambiente aberto e colaborativo e conseguiu atrair os melhores talentos de todo o mundo. Isso levou a uma série extraordinária de inovações: o transístor, o laser, a comunicação via satélite e os alicerces da Internet. O nosso objectivo é construir o Bell Labs da criação de proteínas. Estamos a querer atrair cientistas talentosos de todo o mundo para acelerar a revolução da criação de proteínas e vamos concentrar-nos em cinco grandes desafios.
First, by taking proteins from flu strains from around the world and putting them on top of the designed protein particles I showed you earlier, we aim to make a universal flu vaccine, one shot of which gives a lifetime of protection against the flu. The ability to design --
Primeiro: colhendo proteínas de tipos de gripe de todo o mundo e colocando-as sobre as partículas de proteína criadas que vos mostrei anteriormente, visamos criar uma vacina universal contra a gripe, cuja dose dê uma protecção vitalícia contra a gripe. A capacidade de criar...
(Applause)
(Aplausos)
The ability to design new vaccines on the computer is important both to protect against natural flu epidemics and, in addition, intentional acts of bioterrorism.
Criar vacinas novas no computador é importante tanto para proteger contra as epidemias naturais da gripe quanto, além disso, contra actos intencionais de bioterrorismo.
Second, we're going far beyond nature's limited alphabet of just 20 amino acids to design new therapeutic candidates for conditions such as chronic pain, using an alphabet of thousands of amino acids.
Segundo: estamos a ir muito além do alfabeto limitado da natureza de apenas 20 aminoácidos para criar novos candidatos terapêuticos para enfermidades como a dor crónica, usando um alfabeto de milhares de aminoácidos.
Third, we're building advanced delivery vehicles to target existing medications exactly where they need to go in the body. For example, chemotherapy to a tumor or gene therapies to the tissue where gene repair needs to take place.
Terceiro: estamos a construir veículos de entrega avançados para guiar a medicação existente exactamente para o ponto do corpo para onde precisa de ir. Por exemplo, quimioterapia para um tumor, 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 and go far beyond current medicines, which are really blunt instruments. For example, to target a small subset of immune cells responsible for an autoimmune disorder, and distinguish them from the vast majority of healthy immune cells.
Quarto: estamos a criar terapêuticas inteligentes que podem fazer cálculos dentro do corpo e ir muito além dos medicamentos actuais, que são instrumentos pouco precisos. Por exemplo, para direccionar um pequeno subconjunto de células imunes responsáveis por uma doença auto-imune e distingui-las da grande maioria das células imunes saudáveis.
Finally, inspired by remarkable biological materials such as silk, abalone shell, tooth and others, we're designing new protein-based materials to address challenges in energy and ecological issues.
Finalmente, inspirados por materiais biológicos extraordinários como a seda, a concha de abalone, o dente e outros, estamos a criar novos materiais à base de proteínas para enfrentar desafios energéticos e ecológicos.
To do all this, we're growing our institute. We seek to attract energetic, talented and diverse scientists from around the world, at all career stages, to join us. You can also participate in the protein design revolution through our online folding and design game, "Foldit." And through our distributed computing project, Rosetta@home, which you can join from your laptop or your Android smartphone.
Para fazer tudo isso, estamos a fazer crescer o nosso instituto. Procuramos atrair cientistas enérgicos, talentosos e variados de todo o mundo, em todas as fases da carreira, para se juntarem a nós. Vocês também podem participar na revolução da criação de proteínas através do nosso jogo de enovelamento e criação online: "Foldit". E através do nosso projecto de computação distribuída: Rosetta@home, 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. I'm so excited about what we can do together. I hope you'll join us, and thank you.
Tornar o mundo um lugar melhor através da criação de proteínas é o trabalho da minha vida. Estou muito animado com o que podemos fazer juntos. Espero que vocês se juntem a nós, e muito obrigado.
(Applause and cheers)
(Aplausos)