Quero começar pedindo a todos que pensem sobre como chegaram aqui hoje. Não quero dizer em algum sentido filosófico; esse tipo de pergunta é melhor deixar para outros alta- voz. Quero dizer literalmente: como você fez seu caminho, aqui, para a Instituição Real? Se você é algo como eu, você confiou no Google Maps para mostrar o caminho (apesar de eu poder ser obrigado a dizer que.Outros provedores estão disponíveis. Talvez você também tenha usado o seu telefone para pagar pelo ônibus ou tubo. Se você estiver se juntando a nós online – olá a todos vocês! – você estará assistindo em um telefone, tablet ou laptop. Então, de uma forma ou de outra, a maioria de nós chegou aqui graças a 1 destes dispositivos. Agora quero que pense sobre a bateria no seu telefone. É provável que seja uma bateria de ioni de lítio. E se você viesse em um carro elétrico ou ônibus, você também teria dependido de uma bateria de ioni de lítio. A vantagem das baterias de ioni de lítio em comparação com baterias alcalinas tradicionais – o tipo que você ainda pode colocar na parte de trás do seu telecomando de TV – é que elas podem fornecer mais energia e são recarregáveis. As pessoas com idade suficiente para ter dependido inteiramente de baterias alcalinas para muitos mais dispositivos além do telecomando da TV lembrarão a frustração quando ficarem sem energia – e tentando enfeitar outro conjunto de baterias para fazê- las funcionar novamente. Nossos telefones podem ficar mortos, mas é simples e conveniente recarregá- los. Mas há uma desvantagem, a saber, todos os metais que vão para fazer estas modernas baterias e produtos elétricos, incluindo lítio, cobalto e outros elementos de terra rara. Aguentar estes metais é difícil. A maioria é atualmente extraída e purificada de compostos em rochas, um processo que pode ser muito intensivo em energia, bem como muito poluente.

Reciclar e reutilizar estes mesmos metais também é difícil. Esta é a tabela periódica dos elementos criados pelo Dmitri Mendeleev, publicada pela primeira vez em 1869 e posteriormente apresentado aqui mesmo na Instituição Real alguns 20 anos depois. Quantos elementos você acha que são usados em produtos eletrônicos? Produtos eletrônicos podem conter até 60 elementos diferentes – ao redor 52 deles metais (esses são os elementos destacados em azul no slide) – e atualmente contamos com métodos ineficientes e ambientalmente prejudiciais para isolar e reciclar metais individuais. De fato, muitos itens eletrônicos não podem ser reciclados. Eles simplesmente vão para aterro. Este já é um problema sério e é 1 que só vai piorar à medida que a demanda global por eletrônica aumenta. E se eu dissesse que pesquisadores aqui no Reino Unido identificaram bactérias que ocorrem naturalmente, que têm a capacidade de extrair e reciclar metais deste tipo de resíduos? Desliga o chapéu para qualquer pessoa na audiência familiarizada com a variedade de bactérias chamada Shewanella oneidensis MR- 1, que pode remover manganês das baterias de ion- lítio. Ou a bactéria Desulfovibrio alaskensis, que é capaz de precipitar o cobalto de uma mistura de metais e produtos químicos diferentes nas baterias de ioni de lítio. Só estou ciente dessas bactérias graças às pesquisas surpreendentes que estão acontecendo no Reino Unido, incluindo pelo grupo Louise Horsfall. A equipe da Louise havendo colaborado com pesquisadores de todo o país como parte do projeto ReLib, que representa a reutilização e reciclagem de baterias de ioni de lítio.

Na verdade, 1 dos financiadores para este projeto é a Instituição Faraday, o programa de pesquisa emblemático de bateria do Reino Unido, nomeado para o grande Michael Faraday cuja secretária está na minha frente. Na mesa dele, tenho alguns itens para usar para ajudar a explicar a reciclagem de baterias. A equipe da Louise Ìs tem sido principalmente focada na reciclagem de metais de grandes baterias de ioni de lítio usadas em veículos elétricos. No entanto, eles podem ser muito grandes – muito grandes para eu trazer aqui esta noite. No entanto, muitos de vocês saberão como é uma bateria de ion de lítio do seu telefone – e a ciência por trás de como podemos reciclar essas baterias não é diferente. Uma vez que as baterias de ioni de lítio cheguem ao fim de sua vida útil, elas podem ser desmontadas e trituradas usando métodos mecânicos para produzir isso. Neste caso, o material triturado vem de parte da bateria chamada o cátodo, que contém muitos dos metais que queremos reciclar. Uma vez que dissolvemos este material triturado usando métodos químicos ou biológicos, obtenhamos esta solução aqui... chamada lixiviação de metal. Isto contém os metais úteis que nos interessam e é neste ponto que introduzimos as bactérias que mencionei anteriormente. As bactérias coletam e excretam metais específicos como minúsculas nanopartículas que podemos recuperar para nos dar algo como este... que é manganês que a equipe da Louise Ìs produziu da forma que eu acabei de descrever a partir deste processo exato! Podemos então usar este manganês para construir novas baterias ou outros dispositivos. Você pode estar se perguntando o que fazemos com o que os Ïs deixados para trás na solução de lixiviação. Bem, depois que as bactérias fizeram o seu trabalho, ficamos com esta biossímia rica em lítio – e se assemelha ao que você pode encontrar em depósitos de lítio na América do Sul. Isto também pode ser usado para fazer novas baterias. E não estou apenas falando sobre usar alguns tipos de microrganismos para melhorar a extração e reciclagem de 1 ou 2 metais. Parece haver muitos micróbios diferentes lá fora capazes de extrair metais diferentes. De fato, é possível que as bactérias tenham evoluído esta capacidade de uma forma que desintoxica o seu próprio ambiente, coletando e excretando metais prejudiciais e, por isso, não sendo envenenados.

Então, se usarmos combinações dessas bactérias e ajustarmos as características dessas cepas, podemos aumentar a eficiência com que os metais são purificados e reciclados dos resíduos. Essa palavra de ajuste é importante e não faz justiça à ciência envolvida. O que estamos falando é de engenharia de micróbios existentes para extrair e reciclar metais. Extrair metais do solo é um processo muito caro e prejudicial. Parece bastante assim: O que você pode ver na parte inferior deste slide é uma mina de manganês de molde aberto. E uma vez que terminamos com produtos que necessitam de tais metais, nós os jogamos fora. A parte superior deste slide mostra um local de aterros após um incêndio. Houve relatos de baterias de ioni de lítio que causam incêndios em aterros em todo o mundo. Com a biologia da engenharia, só precisamos remover os metais do solo uma vez; depois eles podem se tornar parte de uma economia circular genuína através de um re- uso contínuo. Nós usamos física, química e engenharia para tirá-los do solo, mas então podemos e devemos usar biologia e engenharia para mantê- los reciclados. E isto é apenas 1 exemplo do que está ao nosso alcance graças ao poder e potencial do campo científico chamado biologia da engenharia.

Estou falando sobre biologia da engenharia esta noite porque acredito que poderia ser o ramo mais significativo da ciência para décadas vindouras. Quero explicar por que acho que é o caso – e compartilhar a minha excitação sobre este campo para 2 principais razões. A primeira é que a ciência e engenharia envolvida neste campo é, francamente, linda. A segunda – e mais importante – razão é que tanto os aplicativos atuais como futuros irão fazer uma grande diferença para a vida cotidiana das pessoas no Reino Unido e em todo o mundo. Estou aqui para tentar convencê-lo de ambas estas coisas, mas se eu puder convencê-lo de apenas 1, quero que seja o último. Estou realmente interessado em que as pessoas reconheçam que os cientistas e engenheiros neste campo estão trabalhando para produzir soluções que a maioria, se não todos, podem concordar são necessários... urgentemente necessário mesmo. Para começar, devo dizer que – como conselheiro científico-chefe do governo – meu papel é aconselhar o primeiro-ministro e o governo sobre todos os assuntos relacionados à ciência, tecnologia e engenharia. O trabalho – e o conselho – é uma mistura de trabalho proativo e reativo. Ele cobre tudo, desde fornecer aconselhamento científico e técnico durante uma emergência nacional até explicar os riscos e oportunidades em torno de tecnologias emergentes como inteligência artificial e biologia de engenharia.

Agora, ao me acertar com a promessa da biologia da engenharia, eu tive um pouco de vantagem. Sou um biólogo matemático por fundo. Minha própria pesquisa se concentrou em usar modelos matemáticos para melhorar a nossa compreensão da evolução e propagação de infecções como sarampo e HIV. No entanto, não tenho qualquer experiência em engenharia, nem em bioquímica. Então, tive que me atualizar nos últimos anos. Neste ponto, deixe-me explicar o que a biologia da engenharia realmente é. Engenharia biológica envolve aplicar engenharia a processos biológicos para dobrar a biologia à nossa vontade. Em outras palavras, é a prática de usar ideias e ferramentas tiradas da engenharia para projetar e modificar organismos vivos ou sistemas biológicos. Usando ferramentas e ideias desenvolvidas nas últimas décadas, o objetivo é desenvolver novos materiais e fontes de energia; melhorar a saúde animal, vegetal e humana; abordar questões ambientais de novas e sustentáveis formas. O que estamos falando é a capacidade de aproveitar e controlar a biologia previsível, repetidamente e – já disse isso – útilmente. Às vezes isso significará trabalhar com o que já está disponível na natureza; outras vezes, envolverá técnicas de modificação genética.

Deixe- me desempacotar um pouco mais. Primeiro, no lado da engenharia. Aqui, quero começar com o ciclo design-build- teste- aprender – DBTL para curta. Esta abordagem tem sido central para o desenvolvimento de produtos em disciplinas de engenharia há algum tempo. Ele impulsiona o refinamento e inovação contínuos, tornando a pesquisa e o desenvolvimento mais rápido e eficiente. Na biologia da engenharia, design-build- test- learn é feito para influenciar em processos biológicos – pelo que eu me refiro às atividades que ocorrem dentro de organismos vivos. Imagem do ciclo design- build- teste- aprender. Cada elemento está localizado num quarto diferente e todos 4 Os quartos compõem um círculo. Essencialmente, estou falando sobre projetar algo biológico – como uma versão de uma célula, ou poderia ser um processo biológico (como divisão celular) ou um sistema geneticamente engenhizado... Então construi-lo, talvez no laboratório...

Então testando- o para ver como funciona bem... Antes, finalmente, e talvez o mais importante, aprender com o que fez e não funcionou e depois alimentar as lições em outra rodada de design, fazendo melhorias repetidas e repetidas ao longo deste ciclo, para um objetivo final. Isto parece ser uma forma mais eficiente de reciclar metais, para usar o estudo de caso que dei no início. E por que esta abordagem é necessária? Bem, porque os organismos vivos são altamente complexos, com muitas partes e redes diferentes de interações entre essas partes. Pode- se argumentar que os sistemas físicos ou químicos são um pouco mais simples, mais previsíveis, mais facilmente quantificáveis. Nós temos usado este processo de design- construir- testar- aprender para dobrar a química e a física à nossa vontade por mais de um século – com muito sucesso. A natureza complexa e muitas vezes imprevisível dos sistemas biológicos significa que precisamos trabalhar através de múltiplas permutações para chegar a um resultado desejado – e que Ìs onde a engenharia em biologia de engenharia entra em. Se conseguirmos esta abordagem correta – e eu vou oferecer alguns exemplos mais tarde mostrando onde já estamos – então temos o poder de desenvolver sistematicamente sistemas biológicos para enfrentar alguns dos maiores desafios que enfrentamos.

Deixe-me ser mais definitivo. Se o século XIX era a idade de ouro da química, e o século XX era a mesma coisa para a física, eu acredito que o século XXI deve ser a idade de ouro para a biologia. Por que estou tão otimista? Este século pode pertencer à biologia por causa de uma série de avanços extraordinários no entendimento científico. Por onde começar? Claro, passamos milhares de anos modificando o mundo vivo. Mas eu não vou voltar para a domesticação de culturas selvagens. Nem sequer vou voltar para Darwin e Mendel. Em vez disso, eu começarei com Watson, Crick e Wilkins – assim como o Rosalind Franklin, muitas vezes esquecido; 3 da 4 recebeu um prêmio Nobel em 1962. Ao determinar a estrutura do DNA, eles descobriram o que podemos chamar de língua da biologia. Entendendo a estrutura do DNA abriu a porta para ler esta linguagem complexa, depois editá- la, e então, escrevendo- a nós mesmos.

Nossa capacidade de ler o DNA deu um grande passo em frente graças ao Walter Gilbert e Fred Sanger, que compartilharam metade do 1980 Prêmio Nobel de Química. Gilbert e Sanger fizeram muito trabalho para entender os blocos de construção do DNA – o alfabeto nucleótido da biologia, se você quiser. O próximo trocador de jogo estava em 1983 quando um bioquímico americano, Kary Mullis, desenvolveu algo chamado de Reação em Cadeia de Polimerase. Melhor conhecido como PCR, é uma técnica de laboratório que é usada para fazer cópias de pedaços particulares de DNA. Pense nisso como uma fotocópia para DNA. A técnica permite aos cientistas criar facilmente – e barato – muitos milhões de cópias de segmentos de DNA a partir de quantidades originais muito pequenas – e isso torna possível a leitura do DNA em uma amostra, mesmo que esteja lá apenas em pequenas quantidades. Todos vocês se familiarizaram com a PCR durante a pandemia do Covid, quando foi usado para fazer muitas cópias do material genético viral para permitir o diagnóstico confiável de uma infecção do Covid. Esse foi o teste onde você fez um toalhete, o colocou em um tubo de teste e depois o mandou embora no post. Foi particularmente importante no início, antes de termos kits de teste em casa. A invenção do PCR também ganhou uma parte do 1993 Prêmio Nobel de Química – que o número Nobel de DNA 3. Avançar rápido 10 anos para 2003 e a conclusão do Projeto Genoma Humano. Pesquisadores de todo o mundo gastaram alguns 13 anos catalogando a sequência precisa de todo o DNA nas células de um ser humano. Foi um esforço enorme e que a primeira sequência de genoma inteiro de um custo humano estimado £ 2.5 bilhão. Felizmente – mas também observação.