Por que as empresas de IA estão correndo para construir uma célula humana virtual

Uma célula humana é uma máquina de Rube Goldberg como nenhuma outra, cheia de reações biológicas em cadeia que fazem a diferença entre a vida e a morte. Compreender estas relações delicadas e como elas correm mal nas doenças é um dos fascínios centrais da biologia. Um único erro em um gene pode transformar a proteína que ele produz no formato errado. Uma proteína disforme não consegue fazer o seu trabalho. E por falta dessa proteína, o organismo – você – pode começar a desmoronar.

As células são tão complexas, no entanto, que é difícil ter uma noção de como a falha de uma proteína se espalha pelo sistema. Graham Johnson, biólogo computacional e ilustrador científico do Allen Institute for Cell Science, lembra-se de ter fantasiado à mesa de almoço, há mais de 15 anos, sobre um modelo computacional de uma célula tão detalhado, tão completo, que os cientistas podiam observar tais processos acontecendo. Naquela época, “todo mundo apenas riu”, diz ele. “Era muito irrealista.”

Mas agora alguns investigadores estão a usar a IA para dar novos passos em direção ao objetivo de uma “célula virtual”. O DeepMind do Google é trabalhando em tal projetoe a Iniciativa Chan Zuckerberg (CZI) fez das células virtuais um foco importante em sua rede de pesquisa Biohub, diz Theo Karaletsos, diretor sênior de IA da CZI. Existe até um novo prêmiocriado pelo Arc Institute, para modelos de estilo de célula virtual. O objetivo de todos esses esforços é prever como funcionam as células saudáveis ​​e doentes, com tantos detalhes que seja possível acelerar o desenvolvimento de medicamentos e acelerar as descobertas científicas. Células virtuais podem até agilizar a pesquisa básica, pensam alguns, transferindo os biólogos da bancada do laboratório para o teclado.

Afinal, o que é uma célula virtual?

A definição precisa de uma célula virtual varia dependendo de com quem você fala. Alguns cientistas, como Johnson, esperam que uma célula virtual inclua uma representação visual na qual você possa clicar e explorar. Outros pensam nele principalmente como um conjunto de programas de computador que podem responder a perguntas e fazer previsões sobre o que provavelmente acontecerá. Mas o conceito não é uma ideia nova. Durante décadas, os biólogos construíram modelos matemáticos de processos celulares. Para fazê-los, os pesquisadores baseiam-se em dados de experimentos com células reais, criando equações que descrevem o que está acontecendo.

Existem agora mais dados sobre a célula humana do que nunca, em parte graças à tecnologia que permite aos cientistas espionar as atividades de células individuais. Mas descobrir equações para cada processo e juntá-los é uma tarefa monumental. “A maneira antiga de fazer isso” – isto é, manualmente – “teve, eu diria, apenas um sucesso muito limitado”, diz Stephen Quake, professor da Universidade de Stanford e ex-chefe de ciência do CZI. No ano passado, ele e outros pesquisadores publicou um artigo apresentando uma visão para outra abordagem, que alimente dados sobre células diretamente para IAs especializadas. “Você constrói modelos que aprendem diretamente com os dados, em vez de tentar escrever equações”, diz ele.

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Quake e seus colegas tiveram alguns resultados iniciais interessantes. Eles usaram dados de células de 12 espécies diferentes para treinar uma IA. A IA foi então capaz de fazer previsões precisas sobre as células de espécies que nunca tinha visto antes, diz Quake. Também foi capaz de inferir as relações entre diferentes tipos de células em uma única espécie, apesar de não ter recebido nenhuma informação sobre essas ligações. “Foi isso que me deixou, pessoalmente, super entusiasmado com essa abordagem”, diz Quake.

Outra equipe de pesquisadores, incluindo alguns do Google DeepMind, está explorando o uso de IA para criar células virtuais também. Eles treinaram IAs em grandes conjuntos de dados de informações sobre células, permitindo aos usuários fazer perguntas como: “Como esta célula responderá a este medicamento?” e então receber respostas sobre quais partes da célula provavelmente serão afetadas.

Estas são apenas algumas das abordagens que os cientistas estão adotando para a criação de células virtuais. É provável que eventualmente existam muitos tipos diferentes de células virtuais, projetadas para uso por diferentes tipos de pesquisadores. A célula virtual usada por um biólogo do câncer, por exemplo, pode ser diferente daquela usada por um biólogo celular que procura responder a perguntas sobre como uma determinada estrutura evoluiu. E é possível que eles usem abordagens de modelagem tradicionais e IA.

O que as células virtuais podem nos permitir fazer

Células virtuais poderiam tornar mais rápida e fácil a descoberta de novos medicamentos. Eles também poderiam fornecer informações sobre como as células cancerígenas escapam ao sistema imunológico ou como um paciente individual pode responder a uma determinada terapia. Eles podem até ajudar os cientistas básicos a criar hipóteses sobre como as células funcionam, que podem orientá-los sobre quais experimentos fazer com células reais. “O objetivo geral aqui”, diz Quake, “é tentar transformar a biologia celular de um campo que é 90% experimental e 10% computacional para o contrário”.

Alguns cientistas questionam quão úteis serão as previsões feitas pela IA, se a IA não puder fornecer uma explicação para elas. “Os modelos de IA, normalmente, são uma caixa preta”, diz Erick Armingol, biólogo de sistemas e investigador de pós-doutoramento no Instituto Wellcome Sanger, no Reino Unido. Por outras palavras, eles dão-lhe uma resposta, mas não conseguem dizer-lhe porque é que lhe deram essa resposta.

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“Pessoalmente, acabei nesta área porque queria simular todo o corpo humano e como as células se ligam umas às outras e interagem. Então esse é o sonho”, diz ele. As respostas da caixa preta podem ser úteis para orientar o desenvolvimento de medicamentos, mas podem não ser tão úteis para os cientistas básicos – pelo menos não da forma como muitas IAs estão atualmente configuradas. (Karaletsos, da CZI, diz que algumas das suas IA são configuradas para fornecer explicações sobre o seu raciocínio. “Queremos compreender, não apenas prever”, diz ele.)

Johnson, autor de um papel em 2023 sobre a importância da construção de células virtuais, espera que tudo o que os cientistas acabarem construindo seja capaz de ser visualizado. Seu ideal é “uma versão visual, interativa e intuitiva de algo complicado”, diz ele. “Acho que a IA é absolutamente crítica para permitir tudo isso. Só não estou interessado em previsões de caixa preta como resultado principal.”