Carta do Especialista 09/12/2022

Carta do Especialista 🧐
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Sexta-feira, 9 de dezembro de 2022

Hoje é mais um dia de Brasil na Copa. Será que estamos viajando quando pensamos na conquista do Hexa? Se estamos, certamente ainda não chegamos no nível de viagem do que seria uma jornada até Marte! Começo o dia mencionando os resultados de uma pesquisa que pode viabilizar este sonho do ser humano, de chegar ao planeta vermelho. Ainda falando de viagem, conheça os aviões impressos em 3D, um novo vidro desenvolvido por computação quântica e as aplicações de Inteligência Artificial criando muitos materiais que ainda não existem e também novos tipos de proteínas, que poderão ser a base de criação de novos equipamentos.

Bora lá?

🚀 Acorde, você chegou em Marte 

Já passou pela sua cabeça que a melhor forma – e talvez a única – de você chegar até Marte, seria através um sono muito profundo?

Em uma pesquisa de 1992 na Universidade do Alaska Fairbanks, Kelly Drew, uma neuro farmacologista, e o professor de zoofisiologia, Brian Barnes, ao analisarem um esquilo terrestre do Ártico descobriram que no período de hibernação que dura 8 meses do ano, a temperatura interna do animal cai para menos de -2°C, literalmente tão fria quanto o gelo. Suas ondas cerebrais se tornam tão fracas que são quase impossíveis de detectar, e seu coração bate apenas uma vez por minuto. No entanto, o esquilo permanece muito vivo. E quando chega a primavera, pode elevar sua temperatura de volta para 37 graus celsius em algumas horas.

A descoberta incentivou Drew a entender como é possível que a criatura permaneça viva mesmo nestas condições. Afinal, o que acontece dentro do cérebro desses animais que permitem que eles sobrevivam assim?

Anos depois, é possível que a resposta para esta pergunta, possa finalmente nos levar à Marte. Segundo a pesquisa feita pela ESA, a agência espacial europeia, a hibernação humana seria o melhor jeito de irmos até o planeta vermelho com segurança, saúde, além de reduzir custos e uso de espaço dentro de naves.

E nesta corrida para ver quem chega lá primeiro, temos 3 grandes players: a NASA, a Administração Espacial Nacional Chinesa e a SpaceX. A previsão é de que até 2040 levaremos o primeiro ser humano à Marte.  Mas há uma série de questões que precisam ser resolvidas para que isto seja possível.

Infelizmente, a complexidade humana é o que tira o sono de muitos engenheiros que tentam atingir este objetivo. De acordo com o levantamento feito, em uma viagem espacial comum, contando apenas o consumo de comida e água, uma tripulação consumiria, em média, 30 kg mantimentos por pessoa a cada dia, isso sem contar questões como a necessidade de proteção contra a radiação do espaço, e assegurar a saúde mental dos viajantes, fora outros desafios.

Na teoria, uma possível solução, que inclusive já foi explorada no mundo da ficção em “2001: Uma odisseia no espaço” – Stanley Kubrick – seria diminuir o metabolismo dos membros da tripulação para que eles precisem ingerir apenas o mínimo de recursos enquanto estiverem em trânsito. Em 2001, os astronautas se deitaram em cápsulas de hibernação semelhantes a sarcófagos, onde seus corações batiam apenas três vezes por minuto e sua temperatura corporal atingia 2°C.

John Bradford, que passou décadas lidando com projetos de pesquisa ambiciosos para a NASA, vislumbrou alguma promessa na hipotermia terapêutica, uma técnica médica na qual as pessoas que sofreram parada cardíaca são resfriadas - normalmente com fluidos de resfriamento intravenosos - até que sua temperatura interna atinja 31º C. A técnica reduz significativamente o metabolismo, fazendo com que as células funcionem com cerca de 30% menos oxigênio e energia, um salva-vidas para um corpo danificado que está lutando para se curar em meio ao fluxo sanguíneo reduzido. Os pacientes geralmente são mantidos nesse estado de hipotermia por apenas um ou dois dias, principalmente porque o frio desencadeia tremores intensos que devem ser controlados com sedativos potentes e drogas bloqueadoras neuromusculares. Mas Bradford identificou alguns casos raros em que os pacientes foram mantidos hipotérmicos por até duas semanas. Portanto: “Quanto tempo você pode sustentar esse estado de coma?”, diz ele.

Em 2013 ele conseguiu convencer o programa Innovative Advanced Concepts da NASA a financiar um projeto avaliando a viabilidade do “torpor humano”. Seu argumento de sucesso centrou-se na economia potencial de peso: ele estimou que, se os astronautas pudessem ser mantidos gelados durante a maior parte de sua viagem a Marte, a massa de seus recursos de suporte à vida poderia ser reduzida em até 60%. Bradford também levantou a hipótese de que o torpor poderia ajudar os astronautas a evitarem sérios riscos à saúde, desde a radiação até os perigos psicológicos do tédio e isolamento extremos - “Quando você está na escuridão do espaço, não tem comunicação em tempo real, " ele diz. “Muitas pessoas dirão: 'Ah, vou ler muitos livros'. Mas acho que isso vai envelhecer rápido.”

Contudo, as investigações da equipe mostraram os riscos que a hipotermia terapêutica pode causar: as medicações usadas para controlar os tremores também paravam a respiração. Astronautas entorpecidos teriam de ser entubados, o que significa que teriam de passar semanas ou meses respirando por tubos enfiados em suas traqueias. Bradford também constatou que o número de agulhas necessárias para manter os fluidos intravenosos fluindo, criam uma situação que parece aumentar as chances de infecção.

Talvez esta não seja a melhor ideia para nós. Mesmo assim, Bradford seguiu sua pesquisa, tentando entender como dezenas de espécies são capazes de passar por invernos rigorosos, num estado inconsciente que reprime drasticamente o desejo por comida e ar. E quando voltam para a primavera, estas criaturas não apresentam nenhum sinal de atrofia muscular, desnutrição ou outras doenças que poderiam ser decorrentes de longos períodos de ociosidade. Bradford acredita que poderia haver uma sabedoria útil a ser obtida ao entender como esses animais mudam para o modo de baixo consumo de energia quando seus ambientes se tornam difíceis.

E assim Bradford começou a buscar o conselho da pequena comunidade de pesquisadores da hibernação, cientistas dedicados ao estudo dos ursos, morcegos e lêmures para quem o torpor regular é um aspecto fundamental da existência. Nos últimos anos, esses pesquisadores têm reunido as mudanças moleculares que ocorrem quando certas espécies aceleram seu metabolismo. E como tantos hibernadores são nossos primos genômicos próximos, há boas razões para acreditar que podemos ajustar nossos cérebros e corpos para imitar o que eles fazem.

Por enquanto, permanecemos na fase das teorias, mas graças a pesquisadores universitários como Drew, que resolveram alguns dos mistérios fundamentais da hibernação, o setor privado já está percebendo o seu potencial. Além disso, Sandy Martin, da universidade do Colorado, reuniu um banco de tecidos de hibernadores e após sua aposentadoria, uma ex-aluna sua conseguiu a licença para utilizar a pesquisa em melhorias de tratamentos de doenças cardíacas e pulmonares descobrindo por que os hibernadores podem sobreviver a eventos estressantes, fundando assim, a FaunaBio, uma startup do Vale do Silício.

Durantes as pesquisas, se constatou que os choques abruptos nos órgãos internos que ocorrem durante o resfriamento e o reaquecimento, matariam a maioria dos humanos. “Esses animais, quando despertam do torpor, é muito semelhante a um ataque cardíaco”, diz Grabek. A FaunaBio quer identificar os compostos moleculares que os hibernadores usam para prevenir ou reparar danos celulares, na esperança de desenvolver fármacos que possam ajudar pacientes cardíacos.

Mas se a hibernação realmente se tornar uma opção realista para os humanos, até mesmo aqueles de nós em boa forma podem achá-la tentadora. O torpor induzido parece oferecer um caminho indireto para a realização de pelo menos alguns sonhos transumanistas, como a extensão da vida, quem sabe... De uma maneira estranha, a hibernação também pode se tornar a única forma remotamente alcançável de viagem no tempo. 

Até o momento, a hibernação humana permanece na ficção científica. Mas os detalhes das pesquisas são bastante interessantes e vale a pena conferir o artigo completo no Wired.
 
🪟 Cientistas desenvolvem um vidro com apoio da Computação Quântica
 

Computação quântica, aprendizado de máquina e polímeros de lentes de contato combinados para reduzir drasticamente os custos de energia: conheça o projeto de dois pesquisadores da Universidade de Notre Dame, em colaboração com a Universidade Kyung Hee da Coréia do Sul, que utilizaram recentemente a computação quântica para ajudar a desenvolver um novo revestimento de janela transparente capaz de bloquear o calor solar. Muito importante constatarmos que a computação quântica está saindo da teoria e laboratórios de pesquisas para aplicações na vida real!

Nas descobertas publicadas na ACS Energy Levels, Tengfei Luo, professor de estudos de energia da família Dorini da Notre Dame, e o associado de pós-doutorado Seongmin Kim trabalharam juntos para criar a camada de resfriamento radiativo transparente (TRC), que permite apenas a luz visível externa que não aumenta a temperatura interna, reduzindo assim os custos de refrigeração dos edifícios em até um terço das taxas atuais.

A redução de calor ideal exigia a montagem precisa de camadas extremamente finas de materiais, que foi a chave para o sucesso do projeto TRC de Luo e Kim. Nesse caso, o aprendizado de máquina e a computação quântica trabalharam juntos para testar modelos em questão de nanossegundos, examinando praticamente todas as misturas e combinações de materiais concebíveis em busca da melhor.

Os pesquisadores usaram o aprendizado de máquina e a empolgante área da computação quântica para encontrar a melhor configuração de material possível. Embora ainda esteja em fase inicial, a computação quântica tem um enorme potencial devido à sua capacidade de superar as técnicas atuais de computação.

Há restrições sobre o que os supercomputadores clássicos mais avançados podem ou não fazer, pois atualmente fazem todos os seus cálculos usando um estado binário, com as informações sendo representadas por 0s e 1s. A computação quântica permite a representação de informações como 1, 0 ou até mesmo uma mistura dos dois. Isso teoricamente dá aos pesquisadores uma enorme vantagem em diversas áreas, incluindo simulações das ciências naturais e pesquisa de fusão nuclear.

O resultado deste projeto é uma base de vidro coberta por uma camada de óxido de titânio, alumina e sílica com 1,2 mícron de espessura e revestida com o mesmo polímero das lentes de contato. Este novo sistema superou todos os outros revestimentos de vidro de redução de calor atualmente no mercado. “Na minha opinião, a abordagem da computação quântica é tão crucial quanto o material real”, acrescentou Luo.

Conforme os avanços tecnológicos acontecem, esses tipos de camadas transparentes de redução de calor podem ser cada vez mais aplicadas a janelas e estruturas de vidro para ajudar ainda mais na redução de emissão de energia e colaborar para melhorar as mudanças climáticas.  VIVA O ESG!!!!

Fonte: Popsci

⚛️ Inteligência artificial inventa milhões de elementos que ainda não existem

Não há dúvidas de que os avanços da inteligência artificial estão cada vez mais surpreendentes: recentemente cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego, desenvolveram um algoritmo de inteligência artificial capaz de prever a estrutura e as propriedades de mais de 31 milhões de materiais que ainda não existem.  

A ferramenta de IA, chamada M3GNet, tem o potencial de identificar materiais com propriedades excepcionais, de acordo com a equipe de pesquisadores.

O M3GNet conseguiu preencher instantaneamente um vasto banco de dados de materiais ainda a serem sintetizados, que inclusive, já estão sendo usados por engenheiros que buscam por eletrodos mais densos em energia para baterias de íon-lítio usadas em tudo, desde smartphones a carros elétricos.

Indo além, o banco de dados matterverse.ai e o algoritmo M3GNet poderão expandir o espaço de exploração de materiais de maneira exponencial.

O professor de nanoengenharia da UC San Diego, Shyue Ping Ong, descreveu o M3GNet como “um AlphaFold para materiais”, referindo-se ao inovador algoritmo de IA construído pelo DeepMind do Google que pode prever estruturas de proteínas – artigo que já trouxemos em cartas anteriores.

“Semelhante às proteínas, precisamos conhecer a estrutura de um material para prever suas propriedades”, disse o professor Ong.

“Nós realmente acreditamos que a arquitetura M3GNet é uma ferramenta transformadora que pode expandir muito nossa capacidade de explorar novas estruturas e químicas de materiais”.

O próximo passo da equipe é ampliar ainda mais o número de materiais no banco de dados, e averiguar quais de fato serão úteis em descobertas científicas futuras.
 
Estima-se que mais de um milhão dos 31 milhões de materiais no banco de dados matterverse.ai são estáveis o suficiente para serem usados. Quem sabe antes de explorarmos os materiais de asteróides, já poderemos desenvolvê-los aqui na Terra?

Fonte: Independent.con.uk

✈️ Aviões chineses impressos em 3D

Recentemente, a China anunciou seu novo avião de guerra criado com impressora 3D, o que o torna mais leve e eficiente, ao mesmo tempo em que reduz os custos de produção.

"Estamos aplicando tecnologias de impressão 3D em aeronaves em grande escala em nível de engenharia e estamos em uma posição de liderança mundial", disse o doutor Li Xiaodan, membro do Luo Yang Youth Commando no instituto de pesquisa artesanal da Shenyang Aircraft Company.

Isso se deve parcialmente a uma demanda crescente por aviões que viu a fabricação tradicional atingir um teto em 2013. Essas novas e avançadas técnicas de impressão 3D agora permitem a produção de novos aviões com alta resistência estrutural, longa vida útil, baixo custo de produção e fabricação rápida.

Comparada a fabricação tradicional que requer soldagem ou rebites para conectar as peças, a impressão 3D é criada de maneira integrada, o que aumenta a resistência do equipamento. Além de ser mais econômica, pois não é necessário utilizar nenhum material extra, as peças são mais leves, o que permite que o avião voe mais longe e tenha um desempenho melhor. A impressão 3D também é muito rápida, permitindo que as peças sejam fabricadas rapidamente, tornando o suporte logístico mais simples e acessível.

A técnica está se tornando cada vez mais popular entre as fabricantes chinesas. Embora possa parecer uma revolução para a indústria de impressão 3D, deve-se levar em consideração que outros fabricantes de aviões já haviam a utilizado anteriormente.

Em setembro de 2022, a Hermes anunciou que seus aviões hipersônicos de 3.800 mph receberiam corpos impressos em 3D. A empresa, que já trabalhou com a NASA e a Força Aérea dos EUA, revelou que obteve as impressoras Sapphire e Sapphire XC de grande formato da Velo3D, uma solução completa de manufatura aditiva de metal.

“A manufatura aditiva de metal é um componente central do nosso plano para integrar verticalmente a produção”, disse na época Glenn Case, CTO da Hermeus.

“À medida que exploramos os recursos da tecnologia de fabricação aditiva do Velo3D, procuraremos maneiras de aumentar o desempenho, consolidar componentes, reduzir o peso de nossas aeronaves e minimizar as dependências externas”, acrescentou Case.

Na verdade, em 2016, a Airbus já explorava o uso da impressão 3D na fabricação de jatos jumbo. A empresa afirmou na época que a impressão 3D permitiria criar peças rígidas que poderiam assumir tanto formas curvilíneas quanto ocas. A construção dessa maneira, permitiu que o peso fosse conservado enquanto mantinha a força necessária para se manter em vôo.

Independentemente de a ideia ser mais ou menos original, e terem havido testes anteriores, agora parece ser o momento da aplicação deste tecnologia em maior escala.

Fonte: Interesting Engineering.

🧬 Conheça a inteligência artificial inspirada no DALL-E para criar novos medicamentos

E por falar em IAs inventivas, atualmente a explosão de modelos de IA de conversão de texto em imagem, como o DALL-E 2 da OpenAI — programas treinados para gerar imagens de quase tudo o que você pedir — provocou ondas nas indústrias criativas, da moda ao cinema, ao fornecer imagens estranhas e maravilhosas sob demanda.

A mesma tecnologia por trás desses programas também está fazendo sucesso nos laboratórios de biotecnologia, que começaram a usar esse tipo de IA generativa, conhecida como modelo de difusão, para criar designs para novos tipos de proteína nunca vistos na natureza.

Recentemente, dois laboratórios anunciaram seus respectivos programas de difusão para gerar designs de novas proteínas ainda mais precisas. A Gerenate Biomedicines, uma startup com sede em Boston, revelou um programa chamado Chroma, que a empresa descreve como o “DALL-E 2 da biologia”.

Enquanto isso, a equipe da Universidade de Washington liderada pelo biólogo David Baker construiu um programa semelhante chamado RoseTTAFold Diffusion. Em seu artigo mais recente sobre o assunto, Baker e seus colegas mostram que o modelo pode gerar novas proteínas no laboratório. “Estamos gerando proteínas sem nenhuma semelhança com as existentes”, diz Brian Trippe, um dos co-desenvolvedores do RoseTTAFold.

Esses geradores de proteínas podem ser direcionados para produzir projetos de proteínas com propriedades específicas, como forma, tamanho ou função. O que possibilita a criação de novas proteínas para realizar trabalhos específicos sob demanda. A esperança é de tornar possível o desenvolvimento de medicamentos novos e mais eficientes. “Podemos descobrir em minutos o que levou milhões de anos para evoluir”, diz Gevorg Grigoryan, CTO da Generate Biomedicines.

“O que é notável neste trabalho é a geração de proteínas de acordo com as restrições desejadas”, diz Ava Amini, biofísica da Microsoft Research em Cambridge, Massachusetts.

Os dois programas não são os primeiros modelos de difusão usados para geração de proteínas. Diversos estudos nos últimos meses mostraram que os modelos de difusão eram uma técnica promissora, mas não passavam de protótipos de prova de conceito. Chroma e RoseTTAFold Diffusion se baseiam nesse trabalho e são os primeiros programas completos que podem produzir designs precisos para uma ampla variedade de proteínas.

Namrata Anand, que desenvolveu em conjunto, um dos primeiros modelos de difusão para geração de proteínas em maio de 2022, acredita que o grande significado do Chroma e do RoseTTAFold Diffusion é que eles pegaram a técnica e a superdimensionaram, treinando com mais dados e mais computadores. “Pode ser justo dizer que isso é mais como DALL-E, por causa de como eles escalaram as coisas”, diz ela.

Os modelos de difusão são redes neurais treinadas para remover “ruído” – perturbações aleatórias adicionadas aos dados – de sua entrada. Dada uma confusão aleatória de pixels, um modelo de difusão tentará transformá-la em uma imagem reconhecível.

No Chroma, o ruído é adicionado ao desvendar as cadeias de aminoácidos das quais uma proteína é feita. Dado um aglomerado aleatório dessas cadeias, o Chroma tenta juntá-las para formar uma proteína. Guiado por restrições específicas sobre como o resultado deve ser, o Chroma pode gerar novas proteínas com propriedades específicas.

Já a equipe de Baker adota uma abordagem diferente, embora obtenha resultados semelhantes. Seu modelo de difusão começa com uma estrutura ainda mais embaralhada. Outra diferença fundamental é que o RoseTTAFold Diffusion usa informações sobre como as peças de uma proteína se encaixam fornecidas por uma rede neural separada treinada para prever a estrutura da proteína (como o AlphaFold da DeepMind faz). Isso orienta o processo generativo geral.

Ambas as equipes demostram uma impressionante variedade de resultados. Eles são capazes de gerar proteínas com vários graus de simetria, incluindo proteínas circulares, triangulares ou hexagonais. Para ilustrar a versatilidade de seu programa, a Generate Biomedicines gerou proteínas com o formato das 26 letras do alfabeto latino e dos numerais de 0 a 10. As duas equipes também podem gerar pedaços de proteínas, combinando novas partes com estruturas existentes.

A maioria dessas estruturas demonstradas não serviria para nada na prática. Mas como a função de uma proteína é determinada por sua forma, ser capaz de gerar diferentes estruturas sob demanda é crucial.

Na prática, gerar designs estranhos em um computador é uma coisa. Mas o objetivo é transformar esses designs em proteínas reais. Para testar se o Chroma produziu designs que poderiam ser produzidos, a Generate Biomedicines pegou as sequências de alguns de seus designs – as cadeias de aminoácidos que compõem a proteína – e as executou em outro programa de IA. Eles descobriram que 55% deles seriam previstos para dobrar na estrutura gerada pelo Chroma, o que sugere que estes são projetos para proteínas viáveis.

A equipe de Baker fez um teste semelhante, mas conseguiu ir muito além do Generate Biomedicines na avaliação de seu modelo. Eles criaram alguns dos designs da RoseTTAFold Diffusion em seu laboratório. (A Generate Biomedicines diz que também está fazendo testes de laboratório, mas ainda não está pronta para compartilhar os resultados.) “Isso é mais do que apenas uma prova de conceito”, diz Trippe. “Na verdade, estamos usando isso para produzir proteínas realmente excelentes.”

Para Baker, o resultado principal é a geração de uma nova proteína que se liga ao paratormônio, que controla os níveis de cálcio no sangue. “Basicamente, demos ao modelo o hormônio e nada mais e dissemos a ele para produzir uma proteína que se liga a ele”, diz Baker. Quando testaram a nova proteína no laboratório, descobriram que ela se ligava ao hormônio com mais força do que qualquer coisa que pudesse ter sido gerada usando outros métodos computacionais – e com mais força do que as drogas existentes.

Grigoryan reconhece que inventar novas proteínas é apenas o primeiro passo de muitos. Somos uma empresa farmacêutica, diz ele. “No final das contas, o que importa é se podemos fazer remédios que funcionem ou não.” Drogas à base de proteínas precisam ser fabricadas em grande número, depois testadas em laboratório e, finalmente, em humanos. Isso pode levar anos. Mas ele acha que sua empresa e outras também encontrarão maneiras de acelerar essas etapas.

“A taxa de progresso científico vem aos trancos e barrancos”, diz Baker. “Mas agora estamos no meio do que só pode ser chamado de revolução tecnológica.”

Fonte: MIT Technology Review

Por hoje é só, mas se gostou das ideias inovadores que apresentei na Carta de hoje e gostaria de avaliar que tecnologias poderão ajudar a sua organização a ter melhores resultados, entre em contato comigo!

Renato Grau