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Ehud Shapiro

Ehud Shapiro ( Hebrew : אהוד שפירא ; born 1955) is an Israeli scientist, entrepreneur, artist, and political activist who is Professor Emeritus of Computer Science and Biology a...

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Ehud Shapiro (Hebrew: אהוד שפירא; born 1955) is an Israeli scientist, entrepreneur, artist, and political activist who is Professor Emeritus of Computer Science and Biology at the Weizmann Institute of Science[2] and Visiting Professor at the London School of Economics and Political Science. With international reputation, he made contributions to many scientific disciplines,[3] establishing a long-term research agenda for each by asking basic questions and offering a first step towards answering them, including how to computerize the process of scientific discovery, by providing an algorithmic interpretation to Karl Popper's methodology of conjectures and refutations;[4][5][6] how to automate program debugging, by algorithms for fault localization;[7][8] how to unify parallel, distributed, and systems programming with a high-level logic-based programming language;[9][10] how to use the metaverse as a foundation for social networking;[11] how to devise molecular computers that can function as smart programmable drugs;[12][13][14] how to uncover the human cell lineage tree, via single-cell genomics;[15][16][17] how to support digital democracy, by devising an alternative architecture to the digital realm termed Grassroots.[18][19][20][21][22]

Shapiro was also an early internet entrepreneur,[11] and a proponent of global digital democracy.[18][22]

Shapiro is the founder of the Ba Rock Band[23] and a founder of the Israeli political party "Democratit".[24] He is a winner of two ERC (European Research Council) Advanced Grants.[25][26]

Early life and education

Born in Jerusalem in 1955, Shapiro became acquainted with the philosophy of science of Karl Popper through a high-school project supervised by Moshe Kroy from the Department of Philosophy, Tel Aviv University. In 1979, Shapiro completed his undergraduate studies in Tel Aviv University in mathematics and philosophy. Shapiro's PhD work with Dana Angluin in computer science at Yale university attempted to provide an algorithmic interpretation to Popper's philosophical approach to scientific discovery, resulting in both a computer system for the inference of logical theories from facts;[5] and a methodology for program debugging,[7] developed using the programming language Prolog. His thesis, "Algorithmic Program Debugging",[7] was published by MIT Press as a 1982 ACM Distinguished Dissertation, followed in 1986 by "The Art of Prolog", a textbook co-authored with Leon Sterling.[27]

Career

Moving to the Department of Computer Science and Applied Mathematics at the Weizmann Institute of Science in 1982 as a post-doctoral fellow, Shapiro was inspired by the Japanese Fifth Generation Computer Systems project to invent a high-level programming language for parallel and distributed computer systems, named Concurrent Prolog.[9] A two-volume book on Concurrent Prolog and related work was published by MIT Press in 1987.[9]

In 1993, Shapiro took leave of absence from his tenured position at Weizmann to found Ubique Ltd. (and serve as its CEO), an early Israeli Internet software startup. Building on Concurrent Prolog, Ubique developed "Virtual Places", a 2D metaverse and social networking software that included instant messaging, chat rooms, collaborative browsing, online events and games, and voice-over-IP. Ubique was sold to America Online in 1995, and following a management buy out in 1997 was sold again to IBM in 1998.[28]

Shapiro intentó construir una computadora a partir de moléculas biológicas, guiado por la visión de " Un médico en una célula ": una computadora biomolecular que opera dentro del cuerpo vivo, programada con conocimientos médicos para diagnosticar enfermedades y producir los medicamentos necesarios. Siendo un novato en biología, Shapiro concibió su primer diseño para una computadora molecular como un dispositivo mecánico tipo LEGO construido mediante estereolitografía 3D , que fue patentado a su regreso a Weizmann en 1998. Durante 1999-2016, el laboratorio de Shapiro diseñó e implementó varios dispositivos de computación molecular. [ 12 ] [ 13 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

En 2011, Shapiro diseñó un método eficaz para sintetizar moléculas de ADN sin errores a partir de bloques de construcción propensos a errores, [ 34 ] y fundó el consorcio CADMAD (Diseño y fabricación asistidos por computadora de bibliotecas de ADN): [ 35 ]

En 2005, Shapiro presentó una visión del próximo gran desafío en biología humana: Descubrir el árbol del linaje celular humano . [ 15 ] La historia de cómo el cuerpo humano crece desde una sola célula (el óvulo fecundado ) hasta 100 billones de células está capturada por el árbol del linaje celular. En su charla TEDxTel-Aviv "Descubriendo el árbol del linaje celular humano: el próximo gran desafío científico" [ 36 ] Shapiro describió el sistema y los resultados obtenidos hasta el momento, y una propuesta para un proyecto insignia de FET "Iniciativa insignia del linaje celular humano" [ 37 ] para descubrir el árbol del linaje celular humano en la salud y la enfermedad. El proyecto internacional Atlas de Células Humanas , iniciado por el ex estudiante de doctorado de Shapiro, Aviv Regev, tiene como objetivo abordar la pregunta precursora de describir todos los tipos de células en el cuerpo humano.

Investigación

Popper sugirió que todas las teorías científicas son por naturaleza conjeturas e inherentemente falibles, y que la refutación de teorías antiguas es el proceso primordial del descubrimiento científico. [ 38 ] Los estudios doctorales de Shapiro con Angluin intentaron proporcionar una interpretación algorítmica al enfoque de Popper sobre el descubrimiento científico  , en particular para automatizar el método de "Conjeturas y Refutaciones", formulando conjeturas audaces y luego realizando experimentos que buscan refutarlas. Shapiro generalizó esto en el "Algoritmo de Rastreo de Contradicciones", un algoritmo para rastrear contradicciones. [ 5 ] Este algoritmo es aplicable siempre que ocurre una contradicción entre alguna teoría conjeturada y los hechos. Al probar un número finito de átomos básicos para su veracidad en el modelo, el algoritmo puede rastrear una fuente para esta contradicción, a saber, una hipótesis falsa, y puede demostrar su falsedad proporcionando un contraejemplo.

Shapiro sentó las bases teóricas de la programación lógica inductiva y creó su primera implementación (Sistema de Inferencia de Modelos): un programa en Prolog que infería inductivamente programas lógicos a partir de ejemplos positivos y negativos. La programación lógica inductiva se ha consolidado como un subcampo de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático , que utiliza la programación lógica como representación uniforme de ejemplos, conocimientos previos e hipótesis. Trabajos recientes en este campo, que combinan programación lógica, aprendizaje y probabilidad, han dado lugar al nuevo campo del aprendizaje relacional estadístico .

Depuración de programas algorítmicos

La depuración algorítmica fue desarrollada por primera vez por Shapiro durante su investigación doctoral en la Universidad de Yale, como se presentó en su tesis doctoral, [ 39 ] seleccionada como una disertación distinguida de la ACM en 1982. Shapiro implementó el método de depuración algorítmica en Prolog [ 40 ] (un lenguaje de programación lógica de propósito general) para la depuración de programas lógicos .

En el caso de los programas lógicos , el comportamiento previsto del programa es un modelo (un conjunto de enunciados simples y verdaderos), y los errores se manifiestan como incompletitud del programa (incapacidad para demostrar un enunciado verdadero) o incorrección (capacidad para demostrar un enunciado falso). El algoritmo identificaría un enunciado falso en el programa y proporcionaría un contraejemplo o un enunciado verdadero faltante que, junto con su generalización, debería añadirse al programa. También se desarrolló un método para gestionar la no terminación . Desde entonces, el enfoque de depuración algorítmica se ha ampliado y aplicado a muchos lenguajes de programación. [ 41 ] [ 42 ]

El proyecto de Sistemas Informáticos de Quinta Generación

El proyecto Sistemas Informáticos de Quinta Generación (FGCS, por sus siglas en inglés) fue una iniciativa del Ministerio de Comercio Internacional e Industria de Japón, iniciada en 1982, para crear una computadora mediante computación y procesamiento masivamente paralelos. Fue el resultado de un ambicioso proyecto de investigación conjunto entre el gobierno y la industria japonesa durante la década de 1980. Su objetivo era crear una computadora revolucionaria con un rendimiento similar al de una supercomputadora y sentar las bases para futuros avances en inteligencia artificial.

En 1982, durante una visita al ICOT , [ 43 ] Shapiro inventó Concurrent Prolog , un novedoso lenguaje de programación concurrente que integraba la programación lógica y la programación concurrente. Concurrent Prolog es un lenguaje de programación lógica diseñado para la programación concurrente y la ejecución paralela. Es un lenguaje orientado a procesos que incorpora la sincronización del flujo de datos y la indeterminación de comandos protegidos como mecanismos de control básicos.

Shapiro describió el lenguaje en un informe identificado como ICOT Technical Report 003, [ 44 ] que presentaba un intérprete de Prolog concurrente escrito en Prolog. El trabajo de Shapiro sobre Prolog concurrente inspiró un cambio en la dirección del FGCS, pasando de centrarse en la implementación paralela de Prolog a centrarse en la programación lógica concurrente como base del software del proyecto. También inspiró el lenguaje de programación lógica concurrente Guarded Horn Clauses (GHC) [ 45 ] de Ueda, que fue la base de KL1 , el lenguaje de programación que finalmente diseñó e implementó el proyecto FGCS como su lenguaje de programación principal.

Ubique Ltd.

In 1993, Shapiro took a leave of absence from the Weizmann Institute to found and serve as CEO of Ubique Ltd., an Israeli Internet software startup. Ubique developed an early 2D metaverse and social networking software that included instant messaging, chat rooms, collaborative browsing, online events and games, and voice-over-IP. The company's first product, Virtual Places 1.0, was developed on top of Unix-based workstations and was announced on the same day that Netscape Communications announced it browser and server products. Virtual Places 2.0 was based on Windows 95 and PCs. Ubique was sold to America Online in 1995 for $14.5 million,[46] bought back by its management in 1997, and sold again to IBM in 1998, where Ubique's technology was the basis of IBM's SameTime instant messaging product.

Molecular programming languages

In a paper published in 2002 in Nature magazine "Cellular abstractions: Cells as computation"[47] Shapiro with his Ph.D. student Aviv Regev raised the question: Why can't the study of biomolecular systems make a similar computational leap? Both sequence and structure research have adopted good abstractions: 'DNA-as-string' and 'protein-as-three-dimensional-labelled-graph', respectively. They believed that computer science could provide the much-needed abstraction for biomolecular systems. Together Regev and Shapiro used advanced computer science concepts to investigate the 'molecule-as-computation' abstraction, in which a system of interacting molecular entities is described and modelled by a system of interacting computational entities. He developed Abstract computer languages for the specification and study of systems of interacting computations, in order to represent biomolecular systems, including regulatory, metabolic and signaling pathways, as well as multicellular processes such as immune responses.[48][49]

El trabajo (que inicialmente utilizó el cálculo π , un cálculo de procesos ) fue posteriormente asumido por IBM Cambridge en el Reino Unido ( Luca Cardelli ), que desarrolló SPiM (Máquina de Cálculo Pi Estocástico). En la última década, el campo ha florecido con una gran variedad de aplicaciones. Más recientemente, el campo incluso ha evolucionado hacia una síntesis de dos campos diferentes: la computación molecular y la programación molecular. [ 50 ] La combinación de ambos muestra cómo diferentes formalismos matemáticos (como las Redes de Reacciones Químicas ) pueden servir como "lenguajes de programación" y diversas arquitecturas moleculares (como la arquitectura de moléculas de ADN) pueden, en principio, implementar cualquier comportamiento que pueda expresarse matemáticamente mediante el formalismo utilizado. [ 51 ]

Médico en una celda

Al combinar la informática y la biología molecular, los investigadores han podido trabajar en una computadora biológica programable que, en el futuro, podría navegar dentro del cuerpo humano, diagnosticando enfermedades y administrando tratamientos. Esto es lo que Shapiro denominó un "médico en una célula". Su grupo diseñó una computadora a escala molecular hecha completamente de moléculas biológicas que materializó un modelo matemático de computadora programable denominado autómata finito , [ 49 ] que utilizó su molécula de ADN de entrada como combustible. [ 49 ] La computadora molecular también fue reconocida en 2003 como récord mundial Guinness por el dispositivo de computación molecular más pequeño. [ 52 ] Posteriormente, la computadora molecular se amplió con un mecanismo de entrada y salida para que pudiera programarse —en un tubo de ensayo— para identificar cambios moleculares en el cuerpo que indicaran la presencia de ciertos cánceres y liberar una molécula de fármaco en respuesta, en caso de detectarlos. La computadora pudo entonces diagnosticar el tipo específico de cáncer y reaccionar produciendo una molécula de fármaco que interfería con las actividades de las células cancerosas, provocando su autodestrucción. [ 49 ] Por este trabajo fue miembro de los "50 científicos estadounidenses" de 2004 [ 53 ] como líder de investigación en nanotecnología.

In 2009, Shapiro and Ph.D. student Tom Ran presented the prototype of an autonomous programmable molecular system, based on the manipulation of DNA strands, which is capable of performing simple logical deductions.[54] This prototype is the first simple programming language implemented on a molecular-scale. If introduced into the body, this system has immense potential to accurately target specific cell types and administer the appropriate treatment, as it can perform millions of calculations at the same time and 'think' logically.

Shapiro's team aimed to make these computers perform highly complex actions and answer complicated questions, following a logical model first proposed by Aristotle over 2000 years ago. The team has also found a way to make these microscopic computing devices 'user-friendly' by creating a compiler – a program for bridging between a high-level computer programming language and DNA computing code. They sought to develop a hybrid in silico/in vitro system that supports the creation and execution of molecular logic programs in a similar way to electronic computers, enabling anyone who knows how to operate an electronic computer, with absolutely no background in molecular biology, to operate a biomolecular computer.

In 2012, Shapiro, Tom Ran and students succeeded in creating a genetic device that operates independently in bacterial cells.[55] The device has been programmed to identify certain parameters and mount an appropriate response. The device searches for transcription factors – proteins that control the expression of genes in the cell. A malfunction of these molecules can disrupt gene expression. In follow-up research, Benenson and his team have produced a molecular computer that cures a certain type of cancer in mice,[56] with the goal of producing a cancer drug based on this method.[57]

DNA editing

Shapiro diseñó un método eficaz para sintetizar moléculas de ADN sin errores a partir de bloques de construcción propensos a errores. [ 58 ] La programación de ADN es el equivalente en ADN de la programación informática. El ciclo básico de programación informática consiste en modificar un programa existente, probar el programa modificado e iterar hasta obtener el comportamiento deseado. De manera similar, el ciclo de programación de ADN consiste en modificar una molécula de ADN, probar su comportamiento resultante e iterar hasta alcanzar el objetivo (que es comprender el comportamiento o mejorarlo). [ 59 ]

Shapiro fundó el consorcio CADMAD, cuyo objetivo era impulsar una revolución en el procesamiento del ADN, análoga a la revolución que experimentó la edición de textos con la introducción de los editores de texto electrónicos. Este objetivo fue finalmente alcanzado por otros y con una tecnología diferente: la edición genética CRISPR . [ 35 ]

Árbol genealógico de células humanas

En 2005, Shapiro y sus estudiantes presentaron una visión del próximo gran desafío en biología humana: descubrir el árbol de linaje celular humano . Dentro de cada persona hay un árbol de linaje celular .

El desafío de descubrir el Árbol del Linaje Celular Humano recuerda, tanto en naturaleza como en alcance, al desafío que enfrentó el Proyecto Genoma Humano en sus inicios y, de hecho, sus resultados contribuirán decisivamente a la traducción funcional y la comprensión final de la secuencia del genoma . Se requiere un salto tecnológico de una magnitud similar al que ocurrió durante el Proyecto Genoma Humano para el éxito del proyecto del linaje celular humano, y el impacto biológico y biomédico de tal éxito podría ser de una magnitud similar, si no mayor que la del Proyecto Genoma Humano. En su charla TEDxTel-Aviv "Descubriendo el Árbol del Linaje Celular Humano: el próximo gran desafío científico" [ 36 ] Shapiro describió el sistema y los resultados obtenidos hasta ahora, y una propuesta para un proyecto insignia de FET "Iniciativa insignia del linaje celular humano" [ 37 ] para descubrir el árbol del linaje celular humano en la salud y la enfermedad. El objetivo del proyecto Atlas Celular Humano lanzado en 2016 por el antiguo doctorado de Shapiro. El objetivo del estudiante Aviv Regev y sus colegas es identificar los tipos de células en el cuerpo humano. Este es un paso previo necesario para identificar el árbol genealógico de las células humanas.

Igualdad en la democracia digital

The Internet has revolutionized almost every domain of human endeavor, but not democracy. Puzzled by this singularity, Shapiro set to explore how an Internet revolution of democracy could take place. Consulting a founding document of modern democracy, the French 1789 Declaration of the Rights of Man and Citizen, Shapiro distilled from it the values that would need to be upheld by any digital democracy,[18] with equality being first and foremost.

Subsequently, Shapiro and his team at Weizmann addressed the many dimensions of equality in digital democracy: Equality in voting, via Sybil-Resilient Social Choice [ref], which aims uphold democratic voting despite the penetration of sybils (fake and duplicate identities)[60] into a digital community; equality in proposing;[61] equality in deliberation and coalition formation;[62][63] equality in constitution formation;[64] and equality in community forking.[65]

Grassroots digital democracy

Equality in governance of a digital community is meaningful only it also applies to the platform on which the community operates. The digital realm is dominated today two types of platforms: autocratic server/cloud-based (e.g. Facebook), and plutocratic proof-of-work/stake-based (e.g. Bitcoin/Ethereum), and, and lacks a democratic alternative. To help remedy this, Shapiro presents a third alternative architecture for the digital realm, termed "grassroots digital democracy".[20] Informally, a distributed system is grassroots if it can have autonomous, independently-deployed instances — geographically and over time — that can interoperate once interconnected. An example would be a serverless smartphone-based social network supporting multiple independently-budding communities that merge when a member of one community becomes also a member of another.[66]

Grassroots applications may allow people to conduct their social, economic, civic, and political lives in the digital realm solely using the networked computing devices they own and operate (e.g., smartphones), free of third-party control, surveillance, manipulation, coercion, or value-extraction (e.g., by global digital platforms such as Facebook or Bitcoin).

Shapiro initiated in 2012 and led the "open party" (later "open community") project within the Public Knowledge Workshop, which aimed to provide foundations for the operation of an e-party espousing direct democracy via the internet [ref in source]. He further extended his concepts of e-democracy in his 2016 WEF lecture and Financial Times Opinion article. In 2020 he founded the political party Democratit - freedom, equality and fraternity.[24]

  • A lecture by Ehud Shapiro about grassroots digital democracy
  • A lecture by Ehud Shapiro about grassroots cryptocurrencies

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