Passos Significativos Rumo à Inteligência de Organoides Estão Sendo Tomados

Inteligência Artificial (IA) tornou‑se um termo familiar no mundo tecnológico hoje, moldando inúmeros aspectos de nossas vidas diárias. No entanto, surge uma nova fronteira no domínio da ciência – Inteligência de Organoides (IO) – que, embora não seja tão reconhecida quanto a IA, possui um potencial notável. Mas o que exatamente é a Inteligência de Organoides e por que está atraindo atenção nos círculos científicos?

O Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define a Inteligência de Organoides como um “esforço coletivo para promover o uso de organoides cerebrais — pequenas massas esféricas de tecido cerebral cultivadas a partir de células‑tronço — para computação, pesquisa de fármacos e como modelo para estudar em pequena escala como um cérebro completo pode funcionar.”

A organização também destaca duas pesquisas inovadoras que tornaram o desenvolvimento de organoides possível. Abordaremos essas pesquisas em breve. Mas antes disso, vamos aprofundar a compreensão sobre o que a comunidade científica pensa sobre o potencial da Inteligência de Organoides.

Uma equipe preocupada de pesquisadores acredita que sistemas de biocomputação baseados em IO permitirão uma tomada de decisão mais rápida. Eles ajudarão a aprender continuamente durante as tarefas e introduzirão maior eficiência energética e de dados ao processo. Também ajudariam a compreender a fisiopatologia por trás de doenças de desenvolvimento e degenerativas gravemente danosas, como a demência. Naturalmente, também auxiliarão o tratamento dessas doenças ao identificar novas abordagens terapêuticas.

Dada a imensa capacidade da IO de fazer o bem, múltiplas iniciativas significativas em direção à Inteligência de Organoides (IO) estão sendo tomadas. Iremos analisá‑las nos próximos segmentos. Mas começaremos com as duas pesquisas inovadoras sobre o desenvolvimento de organoides que já mencionamos.

Organoides Derivados de Células‑tronço Pluripotentes Induzidas

Os organoides derivados de IPSC entraram em discussão durante o surto de COVID‑19. Um artigo científico detalhou organoides de vias aéreas, organoides cerebrais, organoides intestinais, organoides hepáticos, organoides de vasos sanguíneos, organoides renais, organoides do ouvido interno, etc., todos derivados de IPSC. Dada essa variedade, nossa discussão agora se concentrará especificamente na parte dos organoides cerebrais.

O artigo lista três pontos cruciais: 

• Pela primeira vez, cientistas desenvolveram organoides cerebrais usando diferenciação espontânea de corpos embrionários (EBs).
• Os primeiros organoides cerebrais eram altamente heterogêneos.
• A heterogeneidade levou os pesquisadores a desenvolver organoides cerebrais específicos de região, influenciando vias de sinalização específicas.

Outra pesquisa que ajudou no desenvolvimento de organoides foi sobre técnicas de cultivo celular 3D.

Cultura Celular 3D

A motivação por trás do desenvolvimento de técnicas de cultivo celular 3D surgiu das inadequações observadas ao cultivar células em duas dimensões. As práticas e métodos de cultura celular bidimensional falham em reproduzir a anatomia ou fisiologia dos tecidos para estudos informativos ou úteis.

As técnicas de cultivo celular 3D, por outro lado, são mais próximas da fisiologia animal e humana. À medida que se tornam mais maduras, ajudarão a projetar e desenvolver co‑culturas. Essas técnicas podem ser úteis na engenharia de tecidos para entrega clínica e no desenvolvimento de modelos para triagem de fármacos.

Esses avanços no cultivo celular 3D também são fundamentais na pesquisa sobre organoides derivados de IPSC e inteligência de organoides. As IPSCs, por exemplo, podem se desenvolver em qualquer célula encontrada no corpo de um animal.

Técnicas de cultivo 3D e métodos de andaime 3D, especificamente, ajudam biólogos a cultivar tecidos neurais derivados de IPSC vertical e horizontalmente, preparando o caminho para o desenvolvimento das redes inter‑neuronais observadas no cérebro de um animal.

Replicar essa rede intrincada ajuda a aprofundar a inteligência de organoides e desenvolver métodos mais sofisticados.

Computação de Reservatório com Organoides Cerebrais para IA

Pesquisa publicada no jornal Nature Electronics destaca as conquistas registradas em hardware de computação inspirado no cérebro que emula a estrutura e os princípios de funcionamento do cérebro. Os pesquisadores acreditam que esse desenvolvimento tem o potencial de abordar as limitações atuais da IA.

A pesquisa, em particular, relata uma abordagem de hardware de IA que aproveita a computação de reservatório adaptativa de redes neurais biológicas em um organoide cerebral. A abordagem recebe o nome de Brainoware. Ela se baseia em realizar computação enviando e recebendo informações do organoide cerebral através de uma matriz multieletrodo de alta densidade.

Síntese de Semicondutores Orgânicos: Abrindo Novos Horizontes para Dispositivos Eletrônicos Super‑Eficientes

Uma equipe de pesquisadores no Departamento de Química da UNIST facilitou o espaço para abrir ainda mais oportunidades de inovação, alcançando um avanço na síntese de semicondutores orgânicos. Os pesquisadores relataram a síntese e caracterização de um derivado de antraceno B2N2 com uma unidade BNBN formada pela conversão da unidade BOBN na borda em ziguezague. Espera‑se que as descobertas ajudem a desenvolver ancenos maiores com múltiplas unidades BN que terão muitas aplicações em eletrônica orgânica.

De acordo com Songhua Jeong, o primeiro autor deste estudo:

“Nosso estudo sobre antraceno, um tipo de anceno amplamente reconhecido como semicondutor orgânico, estabeleceu as bases para futuros avanços na área.”

O Sr. Jeong acrescentou: 

“A ligação contínua de BN sintetizada por meio desta pesquisa tem grande potencial para aplicações em semicondutores orgânicos.”

Com pesquisas diversas abrindo caminhos para que a Inteligência de Organoides prospere, especialistas da área dizem que a inteligência de organoides pode se tornar suficientemente poderosa para alimentar nossos computadores no futuro.

Um futuro que antes parecia irreal agora não parece mais impossível, onde células cerebrais cultivadas em laboratório armazenariam e recuperariam grandes quantidades de dados com menores demandas de energia. Com maior escala alcançada, essas soluções podem até desenvolver uma consciência para pensar ou sentir por conta própria.

Inteligência de Organoides: Workshops e Financiamento

Diversos esforços estão em andamento para deliberar ainda mais sobre o potencial da inteligência de organoides.

Entre 22 e 24 de fevereiro de 2022, a Johns Hopkins University realizou o primeiro workshop de Inteligência de Organoides. O objetivo era formar uma comunidade de IO e formular a base para estabelecer a IO como uma nova disciplina científica. A motivação por trás do workshop surgiu da crença de que a IO poderia alterar radicalmente a computação, a pesquisa neurológica e o desenvolvimento de fármacos.

Uma validação adicional do potencial da IO surgiu quando a Diretoria de Engenharia da National Science Foundation dos Estados Unidos planejou uma nova área para o programa Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI) no ano fiscal de 2024, chamada ‘Engineering Organoid Intelligence‘.

A NSF é conhecida por apoiar pesquisas em ciência e engenharia e as pessoas relacionadas, fornecendo instalações, instrumentos e financiamento. A NSF teve um orçamento de US$ 9,5 bilhões no ano fiscal de 2023. Esses recursos chegam a todos os cinquenta estados dos EUA por meio de subsídios concedidos a quase 2.000 faculdades, universidades e instituições.

O tema ‘Engineering Organoid Intelligence’ tem como objetivo apoiar pesquisas fundamentais sobre o desenvolvimento de biocomputadores engenheirados por meio de organoides cerebrais. A NSF acreditava que os cultivos de organoides em breve teriam interfaces com eletrônicos para fornecer entrada e exportar saída para sistemas digitais externos.

Além de universidades, instituições de pesquisa e departamentos governamentais, muitas empresas assumiram a causa de avançar a inteligência de organoides. Agora veremos algumas dessas empresas e seus esforços.

#1. Final Spark

Fundada por Martin Kutter e Fred Jordan em 2014 e sediada na Suíça, a Final Spark defende processadores de chips biológicos que consomem muito menos energia.

Conforme alegado pela startup, ela já testou 10 milhões de neurônios em sua tentativa de construir máquinas pensantes a partir de neurônios humanos vivos derivados da pele.

A startup está aproveitando técnicas sofisticadas de cultivo celular para demonstrar a capacidade de computação autossustentável para a criação de futuros modelos de IA.

#2. BiologiC e NVIDIA

BiologiC Technologies, uma empresa sediada em Cambridge, Reino Unido, é conhecida por seus biocomputadores, que a empresa define como uma “plataforma de bioprocessamento automatizada, programável e reconfigurável para múltiplas aplicações biológicas.”

A arquitetura de hardware patenteada da solução possui quatro módulos principais: 

• O núcleo avançado de roteamento ajuda a transportar líquidos e biogases através do sistema.
• O bloco de entrada e saída ajuda a controlar o carregamento de matérias‑primas e a saída do bioproduto final.
• O modelo BPU auxilia nas atividades de bioprocessamento, como crescimento celular, transcrição in‑vitro, etc.
• Por fim, o módulo central de sensores ajuda no monitoramento em tempo real do ambiente de bioprocessamento.

Em 13 de março de 2023, a BiologiC Technologies juntou‑se ao NVIDIA (NVDA ) Inception, um programa que ajudará a BiologiC a integrar computação de borda e IA em seus biocomputadores. Essa integração eventualmente trará melhorias revolucionárias nas instalações de processamento biológico da BiologiC e reduzirá a ameaça de doenças de maneira sustentável, acessível e econômica.

De acordo com informações disponíveis, CPI Enterprises investiu na BiologiC. A CPI investe em deep tech de alto potencial para que as empresas escalem rapidamente, desempenhando o duplo papel de investidora e fornecedora de suporte técnico.

Segundo Frank Millar, CEO da CPI: 

“Tendo colaborado estreitamente por um longo período, estamos impressionados com a velocidade de execução e a tração comercial da BiologIC. Vemos fortes vantagens no sistema de bio‑computador da BiologIC e na capacidade de aumentar a produtividade do bioprocesso em relação à concorrência no setor.”

Em 21 de novembro de 2023, NVIDIA relatou receita para o terceiro trimestre encerrado em 29 de outubro de 2023, de US$ 18,12 bilhões, um aumento de 206% em relação ao ano anterior e 34% em relação ao trimestre anterior.

#3. BioMap e MBUZAI: Esforços Conjuntos na Criação de um Laboratório de Biocomputação 

Em 14 de março de 2023, a BioMap firmou uma colaboração estratégica com a Mohamed bin Zayed University of Artificial Intelligence (MBZUAI) para introduzir o primeiro laboratório de pesquisa em inovação de biocomputação no Oriente Médio e atender às necessidades de cenários de ciências da vida na região.

A cooperação exploraria o modelo de bio‑computação cross‑modal da BioMap, xTrimo (Cross‑model Transformer Representation of Interactome and Multi‑Omics), para alcançar modelos de ciências da vida em larga escala em geração de proteínas, predição de estrutura de proteínas, predição de função celular e outras tarefas de ciências da vida.

O foco será alcançar avanços em proteínas geradas por IA (AIGP) para atender às necessidades do Oriente Médio em saúde médica, design de fármacos, energia e proteção ambiental.

Além do design de proteínas, as capacidades da BioMap também ajudarão a alcançar fortes habilidades de caracterização celular, modelagem precisa de primeira vez de células imunológicas e mais.

Co‑fundada pelo CEO da Baidu, Robin Li, a BioMap ajuda a combinar IA de ponta e capacidades de biotecnologia para combater os problemas mais críticos na indústria de ciências da vida, como descoberta de alvos, design de fármacos de‑novo e otimização de enzimas.

A startup chinesa de computação biológica levantou mais de US$ 100 milhões em financiamento de série A, de acordo com relatos publicados em agosto de 2021. A rodada foi liderada pela CGV Capital. Outros investidores incluíram Baidu, Legend Capital, Bluerun Ventures e Xianghe Capital.

Para Onde a IO Está Rumo?

Indiscutivelmente, a IO capturou a imaginação da comunidade científica. Empresas tecnológicas sofisticadas e mentes brilhantes também estão investindo recursos. Como o futuro se desenrolará para a IO, porém, dependerá de alguns aspectos cruciais relacionados à sua natureza de desenvolvimento.

O sucesso da IO como uma inovação tecnológica revolucionária dependerá de quão rápida, eficiente e poderosa ela pode se tornar em comparação com a computação baseada em silício e a IA. Além disso, padrões aprimorados de velocidade, eficiência e potência precisarão ter menores demandas de energia para torná‑la mais atraente e custo‑efetiva.

No futuro, a IO precisará se tornar verdadeiramente multidisciplinar, pois é um exercício altamente complexo e intricado escalar os organoides cerebrais atuais em estruturas 3D duráveis. Essas estruturas estarão repletas de células e genes que ajudarão os humanos a aprender coisas novas e complexas.

Além disso, conceber os biocomputadores ideais exigirá conectar esses organoides a dispositivos de entrada e saída de ponta, particularmente eletrônicos equipados com sistemas avançados de IA e aprendizado de máquina.

Pesquisadores da área acreditam que há uma grande necessidade de novos e sofisticados modelos, algoritmos e tecnologias de interface para estabelecer uma comunicação eficaz e significativa com esses organoides cerebrais. Para que a saída seja de primeira linha, os criadores precisam entender como eles aprendem, computam, processam e armazenam os dados.

O escopo dos dados, como já se evidencia, será massivo e imenso em volume.

No período intermediário, a pesquisa em IO também ajudará a melhorar nossa compreensão de como o cérebro e sua rede neurológica profunda e intrincada funcionam. Esse entendimento ajudará a tratar melhor pacientes que sofrem de doenças neurológicas.

Finalmente, replicar as capacidades de um cérebro humano em um ambiente de laboratório pode se tornar uma conquista com consequências enormes. O potencial de uso indevido pode ser significativamente alto. Portanto, desde os primeiros dias, a comunidade científica deve garantir que a pesquisa e o desenvolvimento em torno da IO permaneçam muito sensíveis aos sistemas éticos da nossa sociedade. O quadro ético deve ser, no mínimo, um paradigma definidor para que a IO prospere no futuro.

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