Biologia para programadores: como uma abordagem de engenharia muda o mundo

Fonte

Os parceiros de fundos de risco Andreessen Horowitz, os especialistas em investimentos em biotecnologia Jorge Conde, Vijay Pande e Julie Yu escreveram um manifesto sobre o papel dos princípios de engenharia na criação de inovação em biologia, as principais idéias que formaram a base deste post.

A humanidade está à beira da transição da biologia da ciência empírica para a disciplina de engenharia. Por milênios, abordagens tecnogênicas foram usadas para influenciar os sistemas vivos, mas agora começamos a usar nossos próprios mecanismos da natureza - usando engenharia biológica - para projetar, dimensionar e transformar a própria vida.

Hipótese, verificação, revisão de dados é uma ciência empírica. A engenharia, no entanto, não funciona assim: você usa peças que conhece e entende bem para projetar e criar algo, como software. Somos bons em escrever programas - em parte porque começamos a executá-los do zero. No entanto, a idéia de transferir o pensamento de engenharia para a biologia, que evoluiu bilhões de anos sem intervenção humana, criou raízes.

Medicação como um código

O conceito de um dos sistemas para o rápido desenvolvimento de medicamentos.

Assim como os programadores preferem trabalhar do zero quando se trata de tarefas técnicas, biólogos e desenvolvedores agora podem criar coisas completamente novas. O primeiro grande passo nessa direção foi dado 41 anos atrás, quando uma insulina humana geneticamente modificada foi criada no Beckman Research Institute com a participação da Genentech usando a tecnologia de DNA recombinante (artificial).

A abordagem de engenharia altera fundamentalmente os métodos de diagnóstico, tratamento e gerenciamento de doenças. Hoje, ferramentas como o CRISPR tornam possível programar a biologia com maior precisão, de liberação a liberação, começando com bactérias projetadas para produzir novos produtos químicos e proteínas, terminando com células treinadas para combater o câncer.

Um avanço na tecnologia de “medicamentos programados” (na forma de genes, células, micróbios e até aplicativos e softwares móveis que podem afetar a saúde) nos aproxima do próximo paradigma da medicina. E o avanço é muito oportuno: em média, apenas um dos 20 medicamentos desenvolvidos é eficaz diretamente no corpo humano. É simplesmente inacreditável que geralmente encontremos um medicamento em funcionamento, dado que as pessoas são o produto MVP de bilhões de anos de evolução com o código de espaguete mais incrível da história.


Como novas drogas são sistemas de engenharia e são programáveis ​​por natureza, o processo de criação de novas drogas se torna iterativo - do desenvolvimento de uma molécula com um objetivo específico ao desenvolvimento de uma plataforma na qual muitas drogas futuras podem ser construídas. Por exemplo, a empresa de biotecnologia Ginkgo Bioworks, em vez de produzir antibióticos mais eficazes, criou um bioprinter, com o qual é possível imprimir cepas de bactérias que competem com microorganismos resistentes.

Medicina 2.0

Cientistas da Universidade de Cambridge (Reino Unido) criaram a bactéria E. coli com um genoma totalmente sintético.

Como o software constantemente atualizado, os medicamentos programáveis ​​estão melhorando nas gerações futuras. Por exemplo, o método de terapia com células T CAR envolve a introdução dos linfócitos T do próprio paciente programados artificialmente para reconhecer o "alvo" (células tumorais), e cada nova versão das células T CAR construídas será mais complicada do que a anterior. Ao mesmo tempo, devido à otimização do processo técnico, o custo do método diminuirá (atualmente é de cerca de US $ 500 mil).

O aspecto modular da produção de medicamentos significa que é mais fácil criar novas soluções reutilizando componentes comuns. Assim, chegamos ao análogo dos sistemas de automação de design de dispositivos eletrônicos ( EDA ), que permitem simular os dispositivos que estão sendo desenvolvidos e estudar seu trabalho antes de serem introduzidos no equipamento.

Graças aos avanços no aprendizado de máquina, os computadores nos fornecem novos métodos de diagnóstico e tratamento no que agora é chamado de Medicina 2.0. Grandes quantidades de informações são apresentadas em imagens “compreensíveis” para máquinas com uma quantidade suficiente de dados rotulados: por exemplo, em microscopia, radiologia, patologia, etc. Outros conjuntos de dados são inerentemente muito próximos de imagens “compreensíveis” para redes neurais - a sequência de DNA ou proteínas pode ser considerada como uma matriz de números ordenada por muito tempo.

Estilo de vida como medicamento programado

Expectativa de vida nas tribos atualmente existentes de um nível primitivo - Hadza, Heavi, aborígines australianos, Yanomamo e assim por diante. (excluindo mortalidade infantil).

Nem todos os novos tratamentos estão associados a moléculas. Há uma velha piada de que encanadores salvaram mais vidas do que médicos: a melhoria dos sistemas de esgoto teve um grande impacto na expectativa de vida. De fato, o estilo de vida é um medicamento incrivelmente eficaz.

Segundo a OMS, o estado de saúde humana é determinado por quatro fatores principais: estilo de vida (≈50%), hereditariedade (≈20%), clima e ecologia ()20%) e o nível de assistência à saúde (≈10%). Nos Estados Unidos, US $ 3 trilhões são gastos anualmente na manutenção do último item, enquanto a mudança dos padrões de comportamento humano para um estilo de vida saudável nesse estágio pode ser muito mais eficaz na melhoria da qualidade do bem-estar físico, mental e social. Uma abordagem tecnológica ajudará aqui.

Telefones, relógios inteligentes, medidores de glicose no sangue, monitores de pressão arterial e outros dispositivos geram uma enorme quantidade de dados nos quais o aprendizado de máquina pode revelar as nuances ocultas do comportamento humano. Por exemplo, a comparação de dados na hora do almoço, na sua atividade durante o dia e na duração do sono revelará erros comportamentais que acabarão por levar a um risco significativo para a sua saúde.

A tecnologia muda muito o comportamento. Atualmente, você pode baixar aplicativos móveis para o tratamento de condições crônicas complexas, como diabetes e comprometimento cognitivo .

Conclusão: Biologia de engenharia para transformar o mundo

Nos EUA, não faz muito tempo, eles começaram a aprovar terapia genética para pacientes. À medida que o ritmo da inovação cresce, o mesmo acontece com as oportunidades. Espera-se que até o final da próxima década, 10 a 20 terapias genéticas por ano estejam disponíveis para os pacientes.

Testemunhamos como, usando novos métodos em biologia, não apenas a medicina está mudando, mas também o mercado de alimentos, a agricultura e até o próprio software (usando computadores de DNA ). Hoje, a biologia é tecnologia da informação há 50 anos: assim como o software, um dia se tornará parte de todos os setores.

No futuro, as empresas de tecnologia se tornarão os participantes dominantes no mercado de assistência médica. Assim como os serviços em nuvem aceleraram e simplificaram o processo de criação de uma empresa de tecnologia, o uso conjunto de instalações de laboratório e o WLA (uma ferramenta em nuvem com a qual um cientista sem conhecimento de programação pode realizar experimentos através do controle robótico) reduziu significativamente o custo e a velocidade de iniciar uma bio-startup com zero.

Não importa quão emocionantes possam parecer as perspectivas de novas drogas poderosas, o sucesso é alcançado aumentando a complexidade. Além de melhorar a ciência e a engenharia, também é necessário desenvolver a infraestrutura da indústria, reduzir custos e melhorar a cadeia de suprimentos de medicamentos individuais para o paciente. A biotecnologia se concentrará na solução desses problemas na próxima década.