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Em seu maior feito biológico até agora, IA desbloqueia as proteínas complexas que guardam nosso DNA

A IA fez de novo.

Depois de resolver um dos maiores mistérios da biologia – prever a estrutura da proteína – decodificou como as proteínas se ligam em complexos e sonhou com novas estruturas de proteínas que podem ser transformadas em drogas para controlar nossa biologia básica, saúde e vida.

No entanto, quando confrontada com enormes complexos de proteínas, a IA vacilou. Até agora. Em uma façanha alucinante, um novo algoritmo decifrou a estrutura no centro da herança – um enorme complexo de cerca de 1.000 proteínas que ajuda a canalizar as instruções do DNA para o resto da célula. O modelo de IA é construído no AlphaFold pela DeepMind e RoseTTAfold do laboratório do Dr. David Baker na Universidade de Washington, que foram lançados ao público para mais experimentos.

Nossos genes estão alojados em uma estrutura semelhante a um planeta, apelidada de núcleo, para proteção. O núcleo é um castelo de alta segurança: apenas moléculas específicas podem entrar e sair para fornecer instruções de DNA para o mundo exterior – por exemplo, para fábricas de produção de proteínas na célula que traduzem instruções genéticas em proteínas.

No centro da regulação desse tráfego estão os complexos de poros nucleares, ou NPCs (wink to gamers). Eles são como pontes levadiças extremamente intrincadas que monitoram estritamente os meandros dos mensageiros moleculares. Nos livros de biologia, os NPCs geralmente se parecem com milhares de buracos de desenho animado pontilhados em um globo. Na realidade, cada NPC é uma maravilha arquitetônica maciçamente complexa, em forma de rosquinha, e um dos maiores complexos de proteínas em nossos corpos.

Por que se importar? Como enfrentar um enorme quebra-cabeça, resolver a estrutura do NPC é recompensador por si só. Mas como eles controlam como as informações de DNA são transmitidas para o resto da célula, os NPCs são essenciais para terapia genética, vacinas do tipo mRNA, CRISPR e potencialmente outros tratamentos genéticos que ainda não imaginamos.

“NPC [é] um ponto de acesso para mutações associadas a doenças e interações hospedeiro-patógeno”, disse o Dr. Di Jiang, editor sênior da Science, em um mergulho profundo em NPCs para sua última edição. “O trabalho relatado aqui representa um triunfo da biologia estrutural experimental.”

Um Enigma Estrutural
“Nuclear pores” soa como algo de um vídeo de cuidados com a pele. Mas para os biólogos celulares, eles são um enigma de décadas. “NPCs são essenciais para a vida”, explicou o Dr. Francis Collins, ex-diretor do National Institutes of Health (NIH).

Nossas fitas de DNA estão enroladas em torno de um carretel de proteína. Eles são então sequestrados dentro do núcleo, que protege o DNA de produtos químicos, vírus ou outros lixos potencialmente nocivos. Imagine embrulhar buracos de rosquinha em filme plástico de camada dupla – esse é o envelope nuclear. Agora faça alguns furos no invólucro – esses são os NPCs.

Esses “buracos na parede” aparentemente simples são guardiões críticos do controle genético nas células. Nossas células funcionam traduzindo o código de DNA em proteínas para construir tecidos físicos ou controlar funções biológicas básicas – dizendo a uma célula quando se dividir ou morrer, equilibrando o metabolismo e repelindo invasores virais.

Mas o DNA é sequestrado dentro do núcleo. Centenas de mensageiros de proteínas precisam entrar no santuário nuclear para transcrever as instruções do DNA em mRNA e transportá-lo de volta para as fábricas de produção de proteínas da célula. Cada corrida tem que ignorar os NPCs – que atuam como guardas e canais em uma estrutura.

Os cientistas há muito procuram decodificar a estrutura do NPC, usando magia bioquímica para adulterar sua função normal ou raios-X para escanear sua estrutura cristalina. O trabalho foi absolutamente meticuloso. A partir desses dados, os cientistas descobriram dois tipos principais de proteínas que formam o portão.

O primeiro tipo constrói o andaime do portão. Essas proteínas, apelidadas de NUPs (nucleoporinas), formam uma equipe para revestir o túnel. O segundo tipo age como lama viva de drywall. Essas proteínas são muito mais flexíveis, engessadas ao longo das proteínas do andaime e se estendendo até o canal central, onde podem agarrar fisicamente a carga para ajudá-la a se mover.

Composto por quase 1.000 proteínas que formam cerca de 30 “docks” diferentes, as estruturas NPC são difíceis de resolver porque mudam dinamicamente. Múltiplas proteínas, por exemplo, atuam como dobradiças interconectadas para alterar a configuração ou o tamanho dos poros. Como toda a estrutura “abraça intimamente” o envelope nuclear, os NPCs não podem ser estudados isoladamente, explicou a equipe, liderada pelos Drs. Gerhard Hummer e Martin Beck no Instituto Max Planck de Biofísica, e Dr. Jan Kosinski no Laboratório Europeu de Biologia Molecular. Até agora, mesmo com meios bioquímicos de última geração, os cientistas resolveram apenas 46% da estrutura do NPC.

“É como quando você desmonta e remonta um dispositivo eletrônico. Sempre haverá alguns parafusos, e você simplesmente não sabe onde eles deveriam estar”, disse Kosinski. Mas, graças à IA, “finalmente conseguimos encaixar a maioria deles e agora sabemos exatamente onde estão, o que fazem e como”.

Digite IA
A equipe primeiro aproveitou e melhorou um método popular para analisar NPCs chamado análise cryo-ET. O método ganhou fama em 2015, quando resolveu estruturas celulares em escala quase atômica. Um dos problemas para resolver a estrutura do NPC é a falta de resolução dos conjuntos de dados anteriores, explicou a equipe. Aqui, eles coletaram um “conjunto de dados aproximadamente cinco vezes maior” do que em sua tentativa anterior e usaram um novo método de computação para analisar os dados.

Olhando para os mapas recém-desenhados, a equipe conseguiu distinguir entre o envelope nuclear – ou “envoltório” de DNA – quando estava em um estado restrito versus um estado mais relaxado. Indo mais fundo, a equipe aproveitou o AlphaFold e o RoseTTAfold para prever um conjunto abrangente de modelos para proteínas NPC. A dupla funcionou bem – a análise pode modelar a maioria das proteínas nucleares com alta confiança e combinar dados de métodos tradicionais de análise microscópica.

Depois veio a parte difícil. Como as docas em um estaleiro, os NPCs estão fortemente ligados às vias de tráfego de proteínas, que geralmente são difíceis de modelar em 3D. Usando seu modelo, a equipe mapeou “pontos de ancoragem” de ligantes de proteínas para o túnel principal do NPC. A modelagem adicional construiu um “Google Map” de como os vinculadores se conectam. Como um estaleiro bem organizado, cada um ajuda a manter a estrutura do NPC.

Hackeando o coração da herança
O uso da IA ​​para resolver estruturas de proteínas tem sido apontado como o avanço da década. Este estudo é um dos primeiros a mostrar o poder do algoritmo em configurações confusas, complicadas e do mundo real.

“Este trabalho exemplifica como, no futuro, a biologia estrutural adotará a biologia celular para criar modelos atômicos de conjuntos cada vez maiores de moléculas que desempenham diferentes funções em diferentes partes da célula”, disse Beck.

A revolução já está a caminho. Na mesma edição da revista, uma equipe separada liderada pelo Dr. Hao Wu da Harvard Medical School combinou imagens de microscopia com AlphaFold para resolver parte da estrutura do NPC usando os ovos de Xenopus laevis, o sapo com garras africano que é um queridinho na pesquisa bioquímica.

Mas a IA ainda não é a salvadora. Como o Dr. Thomas Schwartz do MIT, que não esteve envolvido nos estudos, apontou, NPCs são criaturas vivas que mudam sua configuração. Por exemplo, seus canais tendem a ser mais amplos quando estão alegremente aninhados dentro do envelope nuclear, versus depois de serem puxados para estudar sob um microscópio. Em outras palavras, complexos de proteínas são difíceis de decifrar e controlar. Mas a IA está do nosso lado.

“Agora podemos pensar em construir um modelo dinâmico completo do NPC e simular o transporte nuclear em detalhes atômicos”, disse ele. Com a previsão de proteína baseada em IA em um rolo, ainda mais emocionante é o que ainda está por vir.

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Amazon vai realizar entregas por drones na Califórnia este ano

O número de pacotes que as pessoas pedem – e o número de pessoas que pedem pacotes – provavelmente não diminuirá no futuro próximo, e as empresas estão trabalhando em maneiras de entregar esses pacotes de forma rápida e barata. Muitos caminhões de entrega causam tráfego e congestionamento; você sem dúvida já viu os caminhões da Amazon, FedEx ou UPS assumirem as zonas de carregamento em seu quarteirão por um tempo irritantemente longo.

Todos os tipos de soluções malucas foram propostas para uma melhor entrega de pacotes, desde uma rede subterrânea de tubos “hiperloop” até enxames de robôs enviados de vans de naves-mãe.

A suposição generalizada era de que a Amazon seria a primeira a levar seus pacotes aos céus por meio de drones, mas, como se viu, o Walmart os venceu, pilotando a entrega de drones na Carolina do Norte em 2020.

Agora a Amazon está se atualizando. A empresa anunciou esta semana que está iniciando o serviço de entrega de drones em Lockeford, Califórnia, no final deste ano. A sudeste de Sacramento, na área quente e seca do Vale Central do estado, a cidade tinha uma população de apenas 3.521 no censo de 2020. Um comunicado de imprensa da Amazon diz que a cidade tem “ligações históricas” com a indústria da aviação graças a um ex-morador que construiu e voou aviões lá no início de 1900.

A empresa não fornece detalhes adicionais sobre por que escolheu Lockeford para o piloto da Prime Air, embora a localização rural da cidade, o fato de que a maioria dos clientes tenha quintais para os drones deixarem pacotes e a falta de vários obstáculos sejam extremamente atraentes.

A Amazon está tentando fazer a entrega de drones decolar (trocadilho) desde 2013, quando o então CEO Jeff Bezos foi ao 60 minutes e demonstrou um drone que ele alegou que poderia entregar pacotes pesando cinco libras ou menos em menos de 30 minutos. Desde então, a empresa passou por várias iterações de drones de entrega (mais de duas dúzias, de acordo com o comunicado de imprensa), de um quadricóptero que carregava pacotes em sua fuselagem a um híbrido de helicóptero/avião até seu atual modelo hexagonal, cujas hélices foram projetado para minimizar as ondas sonoras de alta frequência.

O progresso da empresa em trazer seus drones de entrega ao mercado tem sido lento devido a preocupações de segurança – incluindo vários acidentes – e aprovações regulatórias. De fato, a Prime Air ainda está aguardando a certificação Part 135 da Federal Aviation Administration, que permite que as empresas operem drones de entrega comercial.

Na frente de segurança, entre outras medidas, a Amazon construiu o que chama de “sistema de detecção e prevenção líder do setor” para impedir que seus drones colidam com coisas – coisas como outras aeronaves, pessoas, animais de estimação ou obstáculos inesperados (como , digamos, uma chaminé ou uma antena). Quando os sensores de um drone detectam objetos dentro de um determinado raio, ele muda automaticamente de curso e, à medida que desce para soltar pacotes, verifica se o espaço ao redor está livre.

Os clientes em Lockeford saberão ao fazer seus pedidos na Amazon se um determinado pacote chegará por drone ou caminhão, pois itens específicos serão marcados como “qualificados para Prime Air”. A Amazon usará o feedback dos moradores de Lockeford para melhorar e expandir o serviço nos próximos anos. A empresa ainda não anunciou uma data ou mês específico para o lançamento do piloto, mas diz que está acontecendo antes do final do ano.

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Cientistas usaram células humanas para fazer ‘pele viva’ para robôs

Andróides que são parte humanos, parte robôs são um marco na ficção científica. Mas agora eles estão um passo mais perto da realidade depois que os pesquisadores criaram uma pele viva para robôs a partir de células humanas.

Os robôs de hoje, mesmo em forma humanóide, tendem a apresentar partes rígidas e exteriores de plástico ou metal duro. Enquanto alguns agora vêm com revestimentos de borracha de silicone que imitam a aparência da pele, ainda está longe de ser convincente, e muitas vezes parecem mais manequins animados do que humanos.

Isso pode parecer apenas um problema cosmético, mas há razões pelas quais pode ser útil ter robôs que se pareçam mais conosco. Para começar, pode tornar mais fácil para as pessoas interagirem com robôs de forma mais natural em situações em que a construção de algum tipo de relacionamento é importante, como assistência médica ou atendimento ao cliente.

A pele humana também é um órgão incrivelmente poderoso – está cheio de sensores que são muito mais sofisticados do que aqueles que podemos projetar; é resistente e repelente à água; e ainda é capaz de se curar quando danificado. Dar aos robôs todos esses recursos pode expandir significativamente o repertório de tarefas com as quais eles podem nos ajudar.

É por isso que pesquisadores japoneses decidiram ver se poderiam usar técnicas de engenharia de tecidos para criar uma cobertura para um dedo robótico feito de células da pele humana. A “pele viva” resultante foi encontrada firmemente em conformidade com o dedo e se manteve no lugar quando as articulações flexionaram, e também foi repelente à água e auto-regenerativa.

“Nossa criação não é apenas macia como a pele real, mas pode se reparar se for cortada ou danificada de alguma forma”, disse o líder do estudo, Shoji Takeuchi, da Universidade de Tóquio, em um comunicado. “Então, imaginamos que poderia ser útil em indústrias onde a reparabilidade in situ é importante, assim como as qualidades humanas, como destreza e toque leve.”

Os chamados “equivalentes de pele humana” que são projetados a partir de células humanas e biomateriais estruturais como o colágeno têm sido usados ​​em pesquisas e enxertos de pele há anos. Mas eles foram cultivados principalmente em folhas bidimensionais. Fazer com que eles criem ou se adaptem a estruturas 3D tem sido difícil.

Em um artigo recente na Matter, Takeuchi e seus colegas descrevem um novo método no qual um dedo robótico rígido é submerso em um hidrogel de colágeno que continha fibroblastos dérmicos humanos, o principal tipo de célula encontrado no tecido conjuntivo da pele. Este revestimento foi então permitido desenvolver, durante o qual os fibroblastos se espalharam por todo o colágeno e fizeram com que o gel encolhesse.

Isso fez com que o revestimento aderisse firmemente ao dedo robótico, criando essencialmente uma camada de primer que os pesquisadores poderiam semear com queratinócitos epidérmicos, o tipo mais comum de células na camada mais externa da pele humana, a epiderme.

Depois que essa camada externa teve tempo para se desenvolver, os pesquisadores realizaram uma série de experimentos para testar suas características. Eles mostraram que era elástico o suficiente para o dedo flexionar sem rasgar e que também era repelente à água, assim como a pele real. Eles até mostraram que ele poderia se curar se uma folha de colágeno fosse enxertada sobre o local da ferida.

A pele viva ainda está muito longe da coisa real, no entanto. Para começar, ele não tem suprimento de sangue, o que significa que precisa que os pesquisadores forneçam constantemente nutrientes frescos e removam os resíduos. Também faltam muitos dos componentes que tornam a pele humana tão poderosa, como glândulas sudoríparas, folículos pilosos e a vasta gama de sensores que nos permitem detectar coisas como pressão e calor.

Os pesquisadores dizem que este é apenas um ponto de partida e planejam expandir a funcionalidade e a sofisticação de sua pele viva. Além de tornar os robôs mais parecidos conosco, os pesquisadores acreditam que sua linha de pesquisa pode ter implicações para o futuro da manufatura avançada. Atualmente, os robôs lutam com tarefas que exigem um alto grau de destreza, mas dar a eles manipuladores mais humanos pode ajudar a automatizar algumas dessas tarefas.

É provável que demore algum tempo até que os pesquisadores consigam imitar todas as capacidades da pele, quanto mais criar coberturas de corpo inteiro a partir de robôs. Mas esta pesquisa sugere que os andróides podem não ser mais uma ideia tão fantasiosa.

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O maior piloto de semana de trabalho de 4 dias do mundo acaba de ser lançado no Reino Unido

Há pouco menos de um ano, um think tank chamado Autonomy divulgou um relatório sobre o que era na época o maior teste de semana de trabalho de quatro dias do mundo. Aconteceu na Islândia e envolveu mais de um por cento da população trabalhadora total do país, cerca de 2.500 participantes. Eles relataram diminuição do estresse, aumento dos níveis de energia, foco aprimorado, mais independência e controle sobre o ritmo de trabalho e menos conflito entre o trabalho e a vida doméstica. Os gerentes relataram aumentos no moral dos funcionários, com níveis de produtividade mantidos, se não melhorados.

Agora, um teste semelhante, mas ainda maior, está começando no Reino Unido. Com mais de 3.300 funcionários de 70 empresas diferentes participando, é o piloto mais expansivo realizado no mundo até agora. Todos os tipos de empresas estão envolvidas, desde grandes corporações até pequenos bares de bairro.

Os participantes receberão 100% de seu salário enquanto trabalham 80% de sua agenda típica e com o objetivo de manter 100% de produtividade. O teste está sendo realizado pela 4 Day Week Global, uma coalizão sem fins lucrativos de líderes empresariais, estrategistas comunitários, designers e líderes de pensamento de defesa que investiram na transição para a redução do horário de trabalho. Em um vídeo um tanto assustador que a organização postou recentemente no Twitter, eles apontam que “a semana” e “o fim de semana” são conceitos que criamos, e eles não precisam continuar com a mesma aparência de sempre.

O think tank Autonomy também está envolvido, assim como pesquisadores da Cambridge University, Oxford University e Boston College que trabalharão com as empresas participantes para medir o impacto que o experimento tem na produtividade e no bem-estar dos funcionários. “Vamos analisar como os funcion